Förutsäga mitokondriellt dynamiskt beteende i genetiskt definierade neurodegenerativa sjukdomar del 3

Mitokondrier är inte onormala i alla genetiska neurodegenerativa sjukdomar, och mitokondriell dysdynamism är inte nödvändigtvis en del av alla neurodegenerativa tillstånd som uppvisar mitokondriella abnormiteter.

Mitokondrier är ett organ i celler som huvudsakligen ansvarar för energiproduktion och cellmetabolism i celler. Under senare år har studier funnit att mitokondriella abnormiteter kan vara relaterade till minnesförlust. Vi bör dock inte oroa oss för mycket över de negativa effekterna av mitokondriella abnormiteter, eftersom modern vetenskap och teknik blir mer och mer avancerad, och vi kan förhindra uppkomsten av mitokondriella abnormiteter genom olika metoder och hälsoprodukter i livscykeln.

En studie fann att mitokondriella abnormiteter kan vara relaterade till minnesförlust hos äldre. Detta beror på att mitokondriella skador kan orsaka neuronala skador och celldöd, och därigenom påverka den normala funktionen hos hjärnneuroner och leda till minnes- och kognitiv försämring. Detta betyder dock inte att mitokondriella abnormiteter är grundorsaken till minnesförlust, eftersom minnesförlust också kan orsakas av andra faktorer, såsom undernäring, hjärnskador, åldrande, etc.

För att förhindra mitokondriella abnormiteter kan vi förbättra vår hälsa genom att ändra vår livsstil och kost. Till exempel kan daglig träning och rätt träning främja genereringen av mitokondrier, förbättra kroppens metaboliska nivå, bibehålla fysisk hälsa och förbättra minnet. Dessutom är kosten också en viktig faktor. Vi bör ha en regelbunden kost, äta mer näringsrik mat som frukt, grönsaker och spannmål och vara uppmärksam på att undvika mat med mycket socker och hög fetthalt.

Dessutom kan riktade läkemedel användas för att skydda mitokondrier med måtta. Det finns redan några läkemedel riktade mot mitokondrier på marknaden, såsom diuretika, hypoglykemiska läkemedel, kosttillskott, etc.

Kort sagt, mitokondriella abnormiteter är förknippade med minnesförlust, men vi bör inte oroa oss för mycket eftersom vi kan skydda mitokondrier, förbättra fysisk hälsa och förbättra minnet genom att ändra vår livsstil och kost och använda hälsotillskott. Låt oss aktivt förebygga och förbättra mitokondriella abnormiteter för att bibehålla en frisk kropp och en skarp hjärna. Man kan se att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche kan förbättra minnet avsevärt eftersom det också kan reglera balansen av signalsubstanser, som att öka nivåerna av acetylkolin och tillväxtfaktorer, som är mycket viktiga för minne och inlärning. Dessutom kan Cistanche också förbättra blodflödet och främja syretillförseln, vilket kan säkerställa att hjärnan får tillräckligt med näring och energi, och därigenom förbättra hjärnans vitalitet och uthållighet.

Klicka på vet kosttillskott för att förbättra minnet

Till exempel beskrivs metabola abnormiteter i Alzheimers demens [73], en sjukdom med osäker och komplex etiologi kopplad till bildandet av extracellulära avlagringar av -amyloidpeptid och neurofibrillära trassel av mikrotubulärt tau-protein [74].

Rapporterade mitokondriella defekter, som inkluderar organellfragmentering, är varierande och inkonsekventa [73,75].

Omfattningen av olika mitokondriella abnormiteter som beskrivs i Alzheimers sjukdom förvirrar slutsatserna om huruvida de bidrar på ett meningsfullt sätt till, eller till stor del är en konsekvens av, den primära sjukdomen.

Däremot är ärftlig Parkinsons sjukdom en sjukdom i mitokondrier, eftersom de vanligaste genetiska formerna av Parkinsonism är kopplade till mutationer av gener som kodar för mitokondriellt PINK1-kinas (PARK6) som initierar mitofagi, såväl som principalmitofagieffektorproteinet Parkin (PARK2) [76] .

Återigen rapporteras mitokondriell fragmentering i vissa, men inte alla, beskrivningar av Parkinsons sjukdom [77], troligen på grund av heterogenitet och multifaktoriell etiologi.

Slutligen är Friedreichs ataxi/spinocerebellardegeneration entydigt en neurodegenerativ sjukdom med en mitokondriell etiologi; den autosomala recessiva genetiska defekten finns i FXN-genen som kodar för det mitokondriella järnbindande proteinet frataxin.

Mitokondriell järnöverbelastning i Friedreichs ataxi försämrar ATP-bildning av elektrontransportkedjan och provocerar överdriven ROSelaboration [78,79]. Det är inte klart om mitokondriell dynamisk dysfunktion bidrar till, eller ens existerar, i denna sjukdom [80].

Variabla mitokondriella fenotyper i neurodegenerativa sjukdomar och osäkerhet om den patofysiologiska effekten av onormal mitokondriell dynamik betonar behovet av analytiska plattformar som är direkt relevanta för individuella mänskliga patienter.

4. Utvärdera mitokondriell dynamik

Det lättast erhållna och uppenbara beviset för mitokondriell dysdynamismis onormal mitokondriell morfologi i statiska bilder av levande eller fixerade celler, typiskt avbildade med en mitokondriespecifik fluorofor.

Den vanligaste rapporterade mitokondriella strukturella abnormiteten är "fragmentering" eller strukturell förkortning av organellerna, konventionellt och bekvämt mätt som reducerat bildförhållande (längd/bredd) [81,82].

Även om det "normala" mitokondriella sidoförhållandet beror både på celltyp och fysiologisk status [83], är det konceptuellt och tekniskt enkelt att mäta det.

Således återspeglar en minskning av mitokondriellt bildförhållande som observeras i högupplösta bilder (minskad längd/bredd eller förkortning) vanligtvis en relativ ökning av mitokondriell fission till fusion ("fragmentering"), medan en ökning i bildförhållande ("förlängning") återspeglar en ökning i fusion i förhållande till fission. Det ändrade bildförhållandet avslöjar dock inte den underliggande orsaken till dysdynamism, dvs om den dynamiska obalansen är en konsekvens av förändrad fission, eller fusion, eller båda.

Dessutom kan fragmentering av mitokondrier i celler som har sammankopplade mitokondriella nätverk, såsom fibroblaster, vara en normal komponent av mitos och apoptos [6].

Slutligen är korta, sfäriska eller "fragmenterade" mitokondrier normen i tvärstrimmiga muskelceller och neuronala axoner [7,8,83]. Naturen hos mitokondriell fusion/fissionsojämvikt avslöjas bäst genom levande cellavbildning, med antingen en enda mitokondriell fluorofor ( t.ex. Mitotracker Red, Green eller Orange), fusionerade celler som uttrycker olika mitokondriellt riktade fluorescerande proteiner (t.ex. Mito-GFP och Mito-RFP), eller en fotoväxlingsbar mitokondriell fluorofor (t.ex. MitoDendra).

När en enda fluorofor används kan videokonfokalmikroskopi dokumentera mitokondriell fusion och fissionshändelser [82].

När olika grupper av celler som uttrycker mitokondrieinriktad GFP eller RFP smälts samman med polyetylenglykol, blir det möjligt att kvantifiera blandning av mitokondrierinnehåll från fusion som en funktion av tiden [84].

Samma tillvägagångssätt är enklare att använda fotoväxlingsbar mito-Dendra [85], vilket gör att en undergrupp av mitokondrier i celler av intresse kan fotoväxlas från grön till röd fluorescerande, och enskilda mitokondriers öde (dvs. oavsett om de smälter samman, genomgår fission). , eller transporteras inom cellen) för att bedömas över tiden.

Tillvägagångssättet för fotoväxling kräver dock specialutrustning och begränsas av provgenomströmning.

Även om det är möjligt att dra slutsatser från seriella statiska bilder av differentiellt märkta mitokondrier att subpopulationer transporteras inom celler, kräver en detaljerad kvantitativ bedömning av andelen rörliga mitokondriers hastighet time-lapse videomikroskopi i levande celler eller vävnad med generering av kymografer [{{ 1}}].

Vårt laboratorium fann att detta är genomförbart när det appliceras på både in vitro och ex vivo-preparat. Dessutom, som beskrivs nedan, är dessa tekniker lätt applicerade på antingen genetiskt manipulerade musneuroner eller patienthärledda celler [25,57].

5. Patienthärledda primära fibroblaster uppvisar sjukdomsrelaterade obalanser i mitokondriell fission/fusion

Det var utmanande att ta fram en optimal forskningsplattform för att utvärdera onormal mitokondriell fusion, fission och motilitet i förhållande till deras relation till mänskliga neurodegenerativa sjukdomar.

Intuitivt verkar det som om neuroner skulle vara det bästa systemet, men primära mänskliga sjuka neuroner är svåra att erhålla, och iPSC-härledda neuroner förlorar ofta de viktigaste egenskaperna hos den kliniska sjukdomen [87,88].

Relationerna mellan underliggande genetisk abnormitet och mitokondriell fenotyp definierades mest utförligt med hjälp av musgenknockoutmetoder.

Germline ablation av antingen Mfn1 eller Mfn2 är embryonalt dödlig [89], men fibroblaster härrörande från mus embryon avslöjade att försämrad mitokondriell fusion orsakad av Mfn1 eller Mfn2 deletion producerar mitokondriell fragmentering genom opponerad mitokondriell fission; funktionsnedsättning mätt som en förlust av polarisering av inre membran är en annan konsekvens av defekt mitokondriellt innehållsutbyte [90].

När man relaterar mitokondriell dysmorfologi till underliggande genetiska orsaker, måste man överväga skillnaderna mellan genablation som upphäver uttrycket av det misstänkta proteinet och är ett standardexperimentellt tillvägagångssätt för att studera genetisk funktionsförlust, kontra naturligt förekommande mutationer med förlust av funktion där ett dysfunktionellt protein uttrycks och kan utöva dominerande undertryckande effekter.

Således tolereras heterozygot ablation av Mfn2-genen väl i möss [89], medan majoriteten av patienterna med CMT2A har en mutant MFN2-allel som provocerar tidig progressiv neurodegeneration [53,55]. Denna skillnad tillskrevs det dominerande undertryckandet av normala MFN1- och MFN2-funktioner av den enda mutanta allelen, vilket förstärker dess funktionella konsekvenser [55-57].

Följaktligen rekapitulerar transgent uttryck av humana CMT2A-mutanter i möss vissa CMT2Aneuronala fenotyper [57,91]. Dominant hämning av normala mitofusiner är dock inte den enda möjliga förklaringen till skillnader mellan genknockout och uttryckta mutanteffekter med förlust av funktion: homozygot Mfn2 (eller Mfn1) genablation hos möss inducerar inte neurodegeneration; det provocerar tidig embryonal dödlighet [89].

Att ändra MFN2-gendos genom experimentell "knockout" är alltså inte detsamma som att uttrycka en MFN2missense-mutation.

Faktum är att detta kan vara en allmän biologisk princip eftersom gen knockdown i Drosophila-modeller är en enkel manipulation som inte inducerar samma kvantitet eller omfattning av kompensatoriska svar som uttryck av genetiska mutanter [92].

Ovanstående observationer stöder användningen av patienthärledda celler som bär autentiska sjukdomsproducerande mutationer, snarare än musgen-knockout-celler, för den undersökande utvärderingen av sjukdomsrelaterade mitokondriella fenotyper.

Emellertid var rekapitulering av prototypiska mitokondriella abnormiteter i patienthärledda fibroblaster inkonsekvent.

I en medföljande artikel [93] visar vi hur mitokondriella fenotyper kan framkallas av metabolisk stress i patientens hudfibroblaster från vissa, men inte alla, genetiska neurodegenerativa sjukdomar.

Dessutom presenterar vi data som stöder användningen av patienthärledda celler som plattformar för individualiserad undersökning av mitokondrie-riktad terapi.

6. Sammanfattning och slutsatser

Mitokondriell dynamik är allestädes närvarande, men de relativa hastigheterna och betydelsen av mitokondriell fusion, fission och motilitet skiljer sig åt beroende på cellmorfologi och metaboliska krav.

Således har neuroner med höga metaboliska krav och långa axoner unika dynamiska profiler och är särskilt mottagliga för dynamisk dysfunktion. Mitokondriella fenotyper är svåra att utvärdera i humana neurodegenerativa sjukdomar eftersom humanneuroner inte är lätt tillgängliga.

Tidigare och åtföljande data visar att odlade humana dermala fibroblaster kan induceras att uppvisa neurodegenerativa sjukdomsrelaterade mitokondriella fusion-fission-fenotyper genom att tvinga mitokondriell metabolism genom den enkla manövern att ersätta galaktos med glukos i odlingsmediet.

Dessutom kan samma fibroblaster omprogrammeras direkt till neuroner som behåller kännetecknande mitokondriella abnormiteter, inklusive dysmotilitet, som bäst mäts inneuronala axoner.

Vi föreslår att integrering av dessa plattformar med genetiska musmodeller, som avbildas i figur 4, kan vara ett effektivt sätt att utvärdera kandidatläkemedel i de många genetiska neurodegenerativa tillstånd som uppvisar karakteristiska mitokondriella abnormiteter, eller av olika patienter för en personlig medicinstrategi.

Författarbidrag: Conceptualization, GWDII; skriva-original utkast förberedelse, GWDII; skriva-granskning och redigering, GWDII och XD; övervakning, GWDII; finansieringsförvärv, GWDII. Alla författare har läst och samtyckt till den publicerade versionen av manuskriptet.

Finansiering: Denna forskning finansierades av NIH R35135736, R42NS115184 och ett forskningsbidrag från Muscular Dystrophy Association. APC finansierades av NIH R35135736.

Utlåtande av institutionell granskningsnämnd: Ej tillämpligt.

Informerat samtycke: Ej tillämpligt.

Datatillgänglighet: Ej tillämpligt.

Intressekonflikter: GWD är Philip- och Sima K. Needleman-begåvade professorer vid WashingtonUniversity i St. Louis och en tidigare pristagare av Scholar-Innovator från Harrington Discovery Institute.

GWD är en uppfinnare av patent utfärdade och under behandling som ägs av Washington University i St. Louisand Mitochondria Emotion, Inc. som täcker små molekylära mitofusinaktivatorer, och är grundaren av Mitochondria in Motion, Inc., ett Saint Louis-baserat biotekniskt forsknings- och utvecklingsföretag med fokus på förbättra mitokondriell trafficking och fitness vid neurodegenerativa sjukdomar.

Finansiärerna hade ingen roll i utformningen av studien; vid insamling, analyser eller tolkning av data; i skrivningen av manuskriptet, eller i beslutet att publicera resultatet.

Referenser

1. Lane, N.; Martin, W. Energetik av genomkomplexitet. Nature 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Grey, MW Mitokondriell evolution. Cold Spring Harb. Perspektiv. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mishra, P.; Chan, DC Mitokondriell dynamik och arv under celldelning, utveckling och sjukdom. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitokondriell dynamik-Fusion, fission, rörelse och mitofagi-I neurodegenerativa sjukdomar. Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Utvecklande koncept för mitokondriell dynamik. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitokondriell dynamik under cellcykling. Apoptosis 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Song, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfusion: Icke-kanonisk funktion av dynamikfaktorer i statiska mitokondrier i hjärtat. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Mitokondriell dynamik och hjärtsjukdom: Ändra form och forma förändring. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Kontroll av mitokondriell transport och lokalisering i neuroner. Trender Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitokondriell transport i neuroner: Inverkan på synaptisk homeostas och neurodegeneration. Nat. Rev.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Perifer neuropati vid mitokondriella störningar. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitokondriell dynamik och metabolisk reglering. Trender Endocrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com