Vorhersage des mitochondrialen dynamischen Verhaltens bei genetisch definierten neurodegenerativen Erkrankungen, Teil 3

Mitochondrien sind nicht bei allen genetisch bedingten neurodegenerativen Erkrankungen abnormal, und eine mitochondriale Dysdynamik ist nicht unbedingt ein Bestandteil aller neurodegenerativen Erkrankungen, die mitochondriale Anomalien aufweisen.

Mitochondrien sind Organe in Zellen, die hauptsächlich für die Energieproduktion und den Zellstoffwechsel in Zellen verantwortlich sind. In den letzten Jahren haben Studien herausgefunden, dass mitochondriale Anomalien mit Gedächtnisverlust zusammenhängen können. Wir sollten uns jedoch nicht zu viele Sorgen über die negativen Auswirkungen mitochondrialer Anomalien machen, da die moderne Wissenschaft und Technologie immer weiter fortgeschritten ist und wir das Auftreten mitochondrialer Anomalien durch verschiedene Methoden und Gesundheitsprodukte im Lebenszyklus verhindern können.

Eine Studie ergab, dass mitochondriale Anomalien möglicherweise mit Gedächtnisverlust bei älteren Menschen zusammenhängen. Dies liegt daran, dass mitochondriale Schäden zu neuronalen Schäden und Zelltod führen können, wodurch die normale Funktion von Gehirnneuronen beeinträchtigt wird und es zu Gedächtnis- und kognitiven Beeinträchtigungen kommt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass mitochondriale Anomalien die Hauptursache für Gedächtnisverlust sind, da Gedächtnisverlust auch durch andere Faktoren wie Unterernährung, Hirnschäden, Alterung usw. verursacht werden kann.

Um mitochondriale Anomalien zu verhindern, können wir unsere Gesundheit verbessern, indem wir unseren Lebensstil und unsere Ernährung ändern. Beispielsweise kann tägliche Bewegung und richtige Bewegung die Bildung von Mitochondrien fördern, den Stoffwechsel des Körpers verbessern, die körperliche Gesundheit erhalten und das Gedächtnis verbessern. Darüber hinaus ist auch die Ernährung ein wichtiger Faktor. Wir sollten uns regelmäßig ernähren, nährstoffreichere Lebensmittel wie Obst, Gemüse und Getreide essen und darauf achten, zucker- und fettreiche Lebensmittel zu meiden.

Darüber hinaus können gezielte Medikamente eingesetzt werden, um die Mitochondrien in Maßen zu schützen. Es gibt bereits einige Medikamente auf dem Markt, die auf Mitochondrien abzielen, beispielsweise Diuretika, blutzuckersenkende Medikamente, Nahrungsergänzungsmittel usw.

Kurz gesagt, mitochondriale Anomalien sind mit Gedächtnisverlust verbunden, aber wir sollten uns keine allzu großen Sorgen machen, denn wir können die Mitochondrien schützen, die körperliche Gesundheit verbessern und das Gedächtnis verbessern, indem wir unseren Lebensstil und unsere Ernährung ändern und Nahrungsergänzungsmittel verwenden. Lassen Sie uns mitochondriale Anomalien aktiv verhindern und verbessern, um einen gesunden Körper und ein leistungsfähiges Gehirn zu erhalten. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da es auch das Gleichgewicht von Neurotransmittern regulieren kann, beispielsweise durch die Erhöhung des Acetylcholinspiegels und der Wachstumsfaktoren, die für das Gedächtnis und das Lernen sehr wichtig sind. Darüber hinaus kann Cistanche auch die Durchblutung verbessern und die Sauerstoffversorgung fördern, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Gehirn ausreichend Nährstoffe und Energie erhält, wodurch die Vitalität und Ausdauer des Gehirns verbessert werden.

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Stoffwechselanomalien werden beispielsweise bei der Alzheimer-Demenz beschrieben [73], einer Krankheit mit unklarer und komplexer Ätiologie, die mit der Bildung extrazellulärer Ablagerungen von Amyloidpeptiden und neurofibrillären Knäueln von mikrotubulärem Tau-Protein verbunden ist [74].

Die gemeldeten mitochondrialen Defekte, zu denen auch die Fragmentierung von Organellen gehört, sind vielfältig und inkonsistent [73,75].

Das schiere Ausmaß der verschiedenen mitochondrialen Anomalien, die bei der Alzheimer-Krankheit beschrieben werden, erschwert die Schlussfolgerungen darüber, ob sie in sinnvoller Weise zur Grunderkrankung beitragen oder größtenteils eine Folge davon sind.

Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der vererbbaren Parkinson-Krankheit um eine Erkrankung der Mitochondrien, da die häufigsten genetischen Formen des Parkinsonismus mit Mutationen von Genen verbunden sind, die für die mitochondriale PINK1-Kinase (PARK6) kodieren, die die Mitophagie initiiert, sowie für das wichtigste Mitophagie-Effektorprotein Parkin (PARK2) [76] .

Auch hier wird in einigen, aber nicht allen Beschreibungen der Parkinson-Krankheit über eine mitochondriale Fragmentierung berichtet [77], wahrscheinlich aufgrund der Heterogenität und der multifaktoriellen Ätiologie.

Schließlich handelt es sich bei der Friedreich-Ataxie/Spinozerebellardegeneration eindeutig um eine neurodegenerative Erkrankung mit mitochondrialer Ätiologie. Der autosomal rezessive genetische Defekt liegt im FXN-Gen, das für das mitochondriale Eisenbindungsprotein Frataxin kodiert.

Mitochondriale Eisenüberladung bei Friedreich-Ataxie beeinträchtigt die ATP-Bildung durch die Elektronentransportkette und provoziert eine übermäßige ROS-Produktion [78,79]. Es ist nicht klar, ob eine mitochondriale dynamische Dysfunktion zu dieser Krankheit beiträgt oder überhaupt vorliegt [80].

Variable mitochondriale Phänotypen bei neurodegenerativen Erkrankungen und Unsicherheit hinsichtlich der pathophysiologischen Auswirkungen abnormaler mitochondrialer Dynamik unterstreichen die Notwendigkeit analytischer Plattformen, die für einzelne menschliche Patienten direkt relevant sind.

4. Bewertung der mitochondrialen Dynamik

Der am leichtesten zu erhaltende und offensichtlichste Beweis für eine mitochondriale Dysdynamik ist eine abnormale mitochondriale Morphologie in statischen Bildern lebender oder fixierter Zellen, typischerweise abgebildet mit einem mitochondrial-spezifischen Fluorophor.

Die am häufigsten gemeldete mitochondriale Strukturanomalie ist die „Fragmentierung“ oder strukturelle Verkürzung der Organellen, die herkömmlicherweise und bequem als verringertes Seitenverhältnis (Länge/Breite) gemessen wird [81,82].

Obwohl das „normale“ mitochondriale Seitenverhältnis sowohl vom Zelltyp als auch vom physiologischen Status abhängt [83], ist seine Messung konzeptionell und technisch unkompliziert.

Daher spiegelt eine in hochauflösenden Bildern beobachtete Abnahme des mitochondrialen Seitenverhältnisses (verringerte Länge/Breite oder Verkürzung) typischerweise eine relative Zunahme der mitochondrialen Spaltung zur Fusion („Fragmentierung“) wider, während eine Zunahme des Seitenverhältnisses („Verlängerung“) eine Zunahme widerspiegelt Fusion im Verhältnis zur Spaltung. Das veränderte Seitenverhältnis gibt jedoch keinen Aufschluss über die zugrunde liegende Ursache der Dysdynamik, also ob das dynamische Ungleichgewicht die Folge einer veränderten Spaltung oder Fusion oder beider ist.

Darüber hinaus kann die Fragmentierung von Mitochondrien in Zellen mit miteinander verbundenen mitochondrialen Netzwerken, wie z. B. Fibroblasten, ein normaler Bestandteil von Mitose und Apoptose sein [6].

Schließlich sind kurze, kugelförmige oder „fragmentierte“ Mitochondrien die Norm in quergestreiften Muskelzellen und neuronalen Axonen [7,8,83]. Die Natur des mitochondrialen Fusions-/Spaltungsungleichgewichts lässt sich am besten durch Live-Zellbildgebung unter Verwendung eines einzelnen mitochondrialen Fluorophors ( B. Mitotracker Rot, Grün oder Orange), fusionierte Zellen, die verschiedene auf Mitochondrien gerichtete fluoreszierende Proteine ​​exprimieren (z. B. Mito-GFP und Mito-RFP), oder ein fotoschaltbares mitochondriales Fluorophor (z. B. MitoDendra).

Wenn ein einzelnes Fluorophor verwendet wird, kann die konfokale Videomikroskopie mitochondriale Fusions- und Spaltungsereignisse dokumentieren [82].

Wenn verschiedene Gruppen von Zellen, die auf Mitochondrien gerichtetes GFP oder RFP exprimieren, mit Polyethylenglykol fusioniert werden, wird es möglich, die Mischung des Mitochondriengehalts aus der Fusion als Funktion der Zeit zu quantifizieren [84].

Derselbe Ansatz ist einfacher, wenn fotoschaltbares Mito-Dendra verwendet wird [85], das es ermöglicht, eine Untergruppe von Mitochondrien innerhalb der Zellen von Interesse durch Licht von grün auf rot fluoreszierend umzuschalten und das Schicksal einzelner Mitochondrien zu bestimmen (d. h. ob sie verschmelzen oder sich spalten). , oder innerhalb der Zelle transportiert werden), über die Zeit beurteilt werden.

Der Photo-Switching-Ansatz erfordert jedoch spezielle Ausrüstung und ist durch den Probendurchsatz begrenzt.

Obwohl es möglich ist, aus seriellen statischen Bildern unterschiedlich markierter Mitochondrien zu schließen, dass Subpopulationen innerhalb von Zellen transportiert werden, erfordert eine detaillierte quantitative Bewertung des Anteils beweglicher Mitochondrien als Geschwindigkeit eine Zeitraffer-Videomikroskopie in lebenden Zellen oder Gewebe mit der Erstellung von Kymographen [{{ 1}}].

Unser Labor stellte fest, dass dies möglich ist, wenn es sowohl auf In-vitro- als auch auf Ex-vivo-Präparate angewendet wird. Darüber hinaus lassen sich diese Techniken, wie unten beschrieben, problemlos auf genetisch manipulierte Mäuseneuronen oder von Patienten stammende Zellen anwenden [25,57].

5. Von Patienten stammende primäre Fibroblasten weisen krankheitsbedingte Ungleichgewichte bei der mitochondrialen Spaltung/Fusion auf

Es war eine Herausforderung, eine optimale Forschungsplattform zu entwickeln, um abnormale mitochondriale Fusion, Spaltung und Motilität im Hinblick auf ihre Beziehung zu neurodegenerativen Erkrankungen des Menschen zu bewerten.

Intuitiv scheint es, dass Neuronen das beste System wären, aber primäre, vom Menschen erkrankte Neuronen sind schwer zu erhalten, und von iPSC abgeleitete Neuronen verlieren oft die bahnbrechenden Eigenschaften der klinischen Krankheit [87,88].

Die Beziehungen zwischen der zugrunde liegenden genetischen Anomalie und dem mitochondrialen Phänotyp wurden am ausführlichsten mithilfe von Maus-Gen-Knockout-Ansätzen definiert.

Die Keimbahnablation von Mfn1 oder Mfn2 ist embryonal tödlich [89], aber aus Mäuseembryonen gewonnene Fibroblasten zeigten, dass eine durch die Deletion von Mfn1 oder Mfn2 verursachte beeinträchtigte mitochondriale Fusion zu einer mitochondrialen Fragmentierung durch ungehinderte mitochondriale Spaltung führt; Eine funktionelle Beeinträchtigung, gemessen als Verlust der inneren Membranpolarisation, ist eine weitere Folge eines fehlerhaften Austauschs mitochondrialer Inhalte [90].

Wenn mitochondriale Dysmorphologie mit zugrunde liegenden genetischen Ursachen in Zusammenhang gebracht wird, muss man die Unterschiede zwischen der Genablation, die die Expression des verdächtigen Proteins aufhebt und einen experimentellen Standardansatz zur Untersuchung des genetischen Funktionsverlusts darstellt, und natürlich vorkommenden Funktionsverlustmutationen, bei denen ein dysfunktionales Protein exprimiert wird, berücksichtigen dominante unterdrückende Wirkung ausüben.

Daher wird die heterozygote Ablation des Mfn2-Gens bei Mäusen gut toleriert [89], wohingegen die Mehrheit der Patienten mit CMT2A ein einzelnes mutiertes MFN2-Allel aufweist, das eine frühe fortschreitende Neurodegeneration hervorruft [53,55]. Dieser Unterschied wurde auf die dominante Unterdrückung der normalen MFN1- und MFN2-Funktion durch das einzelne mutierte Allel zurückgeführt, was seine funktionellen Konsequenzen verstärkte [55–57].

Dementsprechend rekapituliert die transgene Expression menschlicher CMT2A-Mutanten in Mäusen einige aneuronale CMT2-Phänotypen [57,91]. Die dominante Hemmung normaler Mitofusine ist jedoch nicht die einzig mögliche Erklärung für die Unterschiede zwischen Gen-Knockout und ausgeprägten Funktionsverlust-Mutanteneffekten: Die homozygote Mfn2- (oder Mfn1-) Genablation bei Mäusen induziert keine Neurodegeneration; es provoziert eine frühe embryonale Letalität [89].

Daher ist die Änderung der Dosierung des MFN2-Gens durch experimentelles „Knockout“ nicht dasselbe wie die Expression einer MFN2missense-Mutation.

Tatsächlich könnte es sich hierbei um ein allgemeines biologisches Prinzip handeln, da der Gen-Knockdown in Drosophila-Modellen eine unkomplizierte Manipulation ist, die nicht die gleiche Menge oder Größenordnung an kompensatorischen Reaktionen hervorruft wie die Expression genetischer Mutanten [92].

Die obigen Beobachtungen unterstützen die Verwendung von Patientenzellen, die authentische krankheitserzeugende Mutationen tragen, anstelle von Maus-Gen-Knockout-Zellen für die Untersuchungsbewertung krankheitsbedingter mitochondrialer Phänotypen.

Allerdings war die Zusammenfassung prototypischer mitochondrialer Anomalien in vom Patienten stammenden Fibroblasten inkonsistent.

In einem Begleitartikel [93] zeigen wir, wie mitochondriale Phänotypen durch metabolischen Stress bei dermalen Fibroblasten von Patienten aufgrund einiger, aber nicht aller genetisch bedingten neurodegenerativen Erkrankungen hervorgerufen werden können.

Darüber hinaus präsentieren wir Daten, die die Verwendung von patienteneigenen Zellen als Plattformen für die individuelle Untersuchung von auf Mitochondrien gerichteten Therapeutika unterstützen.

6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Mitochondriale Dynamik ist allgegenwärtig, aber die relative Geschwindigkeit und Bedeutung der mitochondrialen Fusion, Spaltung und Motilität unterscheiden sich je nach Zellmorphologie und Stoffwechselanforderungen.

Daher haben Neuronen mit hohem Stoffwechselbedarf und langen Axonen einzigartige dynamische Profile und sind besonders anfällig für dynamische Dysfunktionen. Mitochondriale Phänotypen sind bei neurodegenerativen Erkrankungen des Menschen schwer zu bewerten, da menschliche Neuronen nicht ohne weiteres verfügbar sind.

Frühere und begleitende Daten zeigen, dass kultivierte menschliche dermale Fibroblasten dazu gebracht werden können, mitochondriale Fusions- und Spaltungsphänotypen im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen aufzuweisen, indem der mitochondriale Metabolismus durch das einfache Manöver des Ersetzens von Glucose durch Galactose im Kulturmedium erzwungen wird.

Darüber hinaus können dieselben Fibroblasten direkt in Neuronen umprogrammiert werden, die typische mitochondriale Anomalien beibehalten, einschließlich Dysmotilität, die am besten in neuronalen Axonen gemessen wird.

Wir schlagen vor, dass die Integration dieser Plattformen mit genetischen Mausmodellen, wie in Abbildung 4 dargestellt, ein wirksames Mittel zur Bewertung möglicher Therapeutika bei der Vielzahl genetischer neurodegenerativer Erkrankungen sein könnte, die charakteristische mitochondriale Anomalien aufweisen, oder bei verschiedenen Patienten für einen personalisierten Medizinansatz.

Autorenbeiträge: Konzeptualisierung, GWDII; Schreiben-Original-Entwurfsvorbereitung, GWDII; Schreiben-Überprüfung und Bearbeitung, GWDII und XD; Aufsicht, GWDII; Finanzierungseinwerbung, GWDII. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Finanzierung: Diese Forschung wurde von NIH R35135736, R42NS115184 und einem Forschungsstipendium der Muscular Dystrophy Association finanziert. Die APC wurde vom NIH R35135736 finanziert.

Erklärung des Institutional Review Board: Nicht zutreffend.

Einverständniserklärung: Nicht zutreffend.

Erklärung zur Datenverfügbarkeit: Nicht anwendbar.

Interessenkonflikte: GWD ist Philip- und Sima K. Needleman-Stiftungsprofessor an der Washington University in St. Louis und ehemaliger Scholar-Innovator-Preisträger des Harrington Discovery Institute.

GWD ist Erfinder von Patenten, die von der Washington University in St. Louis und Mitochondria Emotion, Inc. ausgestellt und angemeldet wurden und sich auf niedermolekulare Mitofusin-Aktivatoren beziehen, und ist Gründer von Mitochondria in Motion, Inc., einem in Saint Louis ansässigen Biotech-Forschungs- und Entwicklungsunternehmen mit Schwerpunkt auf Verbesserung des mitochondrialen Handels und der Fitness bei neurodegenerativen Erkrankungen.

Die Geldgeber spielten keine Rolle bei der Gestaltung der Studie; bei der Sammlung, Analyse oder Interpretation von Daten; beim Schreiben des Manuskripts oder bei der Entscheidung, die Ergebnisse zu veröffentlichen.

Referenzen

1. Lane, N.; Martin, W. Die Energetik der Genomkomplexität. Nature 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Gray, MW Mitochondriale Evolution. Kalter Frühling Harb. Perspektive. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mishra, P.; Chan, DC Mitochondriale Dynamik und Vererbung während der Zellteilung, -entwicklung und -erkrankung. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitochondriale Dynamik – Fusion, Spaltung, Bewegung und Mitophagie – bei neurodegenerativen Erkrankungen.Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Sich entwickelnde Konzepte der mitochondrialen Dynamik. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitochondriale Dynamik während des Zellzyklus. Apoptose 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Lied, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfusion: Nichtkanonische Funktion von Dynamikfaktoren in statischen Mitochondrien des Herzens. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Mitochondriale Dynamik und Herzerkrankungen: Formveränderung und Formveränderung. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Kontrolle des mitochondrialen Transports und der Lokalisierung in Neuronen. Trends Zellbiol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitochondrialer Transport in Neuronen: Einfluss auf synaptische Homöostase und Neurodegeneration. Nat. Rev.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Periphere Neuropathie bei mitochondrialen Erkrankungen. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitochondriale Dynamik und Stoffwechselregulation. Trends Endokrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

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