Információ

Mitokondriumok, öregedés és anyagcsere - CER - Biológia

Mitokondriumok, öregedés és anyagcsere - CER - Biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Arisztotelész úgy gondolta, hogy véges mennyiségben rendelkezünk valamilyen „létfontosságú anyagból”. Amikor ezt az anyagot elfogyasztjuk, meghalunk. Más szóval, egy szervezet anyagcsere-sebessége határozza meg élettartamát.

Az életkor előrehaladtával a mitokondriumok egyre nagyobbak és kevesebbek lesznek, és néha szerkezetükben rendellenességek alakulnak ki. Az egereken végzett kísérletek azt mutatják, hogy a mitokondriális mutációk megnövekedett szintje összefüggésben áll számos életkorral összefüggő változással, mint például a csontritkulás, a hajhullás és a súlycsökkenés. Az „öregedés mitokondriális elmélete” azt állítja, hogy a mitokondriumok DNS-ében bekövetkezett károsodások felhalmozódása emberek és állatok öregedéséhez vezet.

A mitokondriumok egyedülállóak abban, hogy az állati sejtekben az egyetlen olyan organellum, amely saját DNS-sel rendelkezik, amelyet mtDNS-nek neveznek, és amely elkülönül a sejtmag DNS-étől. Amikor egy sejt osztódik, a mitokondriumok egymástól függetlenül osztódnak, és új mitokondriumok jutnak át az új sejtekhez. A mitózissal létrejött új leányok azonosak az eredeti sejttel, de tartalmazhatnak mitokondriumokat, amelyek új mutációkkal rendelkeznek. Minden új sejtosztódás mutációt eredményezhet a sejtmagban és az mtDNS-ben.

Hogyan függenek össze a mitokondriumok és az anyagcsere sebessége?

Az anyagcsere sebessége azt az energiamennyiséget jelenti, amelyet a szervezet az életfolyamatok fenntartásához használ fel. Sejtszinten a mitokondriumok oxigént használnak az élelmiszer (glükóz) energiatároló molekulává, az úgynevezett adenozin-trifoszfáttá vagy csak ATP-vé alakítására. Ezt a folyamatot sejtlégzésnek nevezik. Az ebben a reakcióban termelődő ATP-t ezután a sejt felhasználja a homeosztázis fenntartására, valamint a sejt és a test normális működésének biztosítására.

1. Milyen kijelentést tesz a szerző? (Ez az olvasmány fő pontja, amelyet tézisnek is neveznek, és általában egy esszé első bekezdésében található meg).

2. Milyen bizonyítékok állnak rendelkezésre a szerző állításának alátámasztására? Írj 1-2 mondatot, amely összefoglalja, hogy a másik hogyan támogatja álláspontját!

3. Indokolja meg az állítást azáltal, hogy összekapcsolja a bizonyítékot az állítással, vagy összekapcsolja azt más tudományos elvekkel.


Az egészséges öregedés érdekében

"Bár a korábbi munkák kimutatták, hogy az időszakos böjt hogyan lassíthatja az öregedést, még csak most kezdjük megérteni a mögöttes biológiát" - mondta William Mair, a Harvard Chan School docense. A C. elegans (képünkön) izomsejtjeiben lévő mitokondriális hálózatok kulcsfontosságú elemei voltak a vizsgálatnak.

A Harvard Chan School jóvoltából


Mitkondrium és izomtömeg

A 65 év felettiek az amerikai lakosság leggyorsabban növekvő szegmense. 2016-ban naponta körülbelül 11 000 ember töltötte be a 70. életévét. Mi lenne, ha az életkor előrehaladtával olyan kezelések lennének, amelyek segítenek megőrizni az izomtömeget, és nem veszítik el funkcionális képességeinket. Az UCLA klinikusai tudják, hogy az életkor a betegségek egyik legfontosabb kockázati tényezője. Másrészt az UCLA kutatói tudják, hogy az életkor módosítható kockázati tényező az állatmodellekben bizonyos dolgokkal, például kalóriakorlátozással és gyógyszeres terápiákkal.

Egy fontos kutató ezen a területen Jonathan Wanagat, MD, PhD., akinek munkája elsősorban arra irányult, hogy az egyének miért veszítenek izomtömegből vagy izomerőből az életkor előrehaladtával.

"Én alaptudományi kutató vagyok, de idősorvos is, ezért itt, az UCLA-n foglalkozom a betegekkel. Messze az idős embereknél az elsődleges gondjuk, és ez generációkon és különböző hátterű embereken keresztül, az elvesztéstől való félelem. képesek megtenni azt, amire most képesek."
- Dr. Jonathan Wanagat

Wanagat az UCLA Health gyakorló geriátere, és páciensei aggodalmai segítik abban, hogy megértse, miért veszítünk izomtömegből az életkor előrehaladtával, és hogyan lépnek működésbe a mitokondriumok és az anyagcsere.

Az egyik magyarázatot ő és kollégái a mitokondriális mutációk, deléciós mutációkként azonosították. Korábbi munkáinak nagy része annak bizonyítására irányult, hogy ezek a deléciós mutációk izomrostvesztést okoznak. A munka előrehaladtával a mutációs folyamat jobb megértésére is összpontosítanak, abban a reményben, hogy módot találnak arra, hogy megakadályozzák a mutációk előfordulását, felhalmozódását és végső soron az izomrost elpusztítását.

Wanagat 24 éve a mitokondriumokra összpontosít, és számára számos út, amely az öregedés jelenségeihez vezet, a mitokondriumokon keresztül halad át. Legyen szó mutációkról, autofágiáról, anyagcseréről, ROS-termelésről vagy zsíranyagcseréről – nevezd meg – számomra mindig a mitokondriális biológiát érintő részek érdekelnek.


Mitokondriális hormézis, mitonukleáris fehérje egyensúlyhiány és az élettartam metabolikus/stressz szabályozása

A CR, az IGF-I gátlás és az mTOR gátlás által kiváltott jelátviteli események között többszörös átfedés és kapcsolódási pont van. Érdekes módon, amint azt a közelmúltbeli eredmények feltárták, ezek mindegyike fokozott mitokondriális légzést vált ki, ami a ROS enyhe vagy közepes emelkedését okozza. Ellentétben azzal, amit az öregedés szabadgyök-elméletétől várhatunk, ez a ROS-emelkedés az élettartam meghosszabbításának hátterében állhat (136, 190). Hogyan lehetne ezt összeegyeztetni a jelenlegi tudással?

Mielőtt megpróbálnánk megválaszolni a fenti kérdést, érdemes megjegyezni, hogy az ellenkező hatású manipulációk, nevezetesen a mitokondriális légzés enyhe vagy mérsékelt csökkenése, szintén meghosszabbíthatják az élettartamot, bár nem feltétlenül a ROS csökkentésén keresztül (79). Ezt az ETC mutánsai bizonyították C. elegans (45, 95, 103, 161, 187, 188), Drosophila (31) és egerek (110). Különösen az 1. óra élettartam-meghosszabbító hatása (clk-1)/coq-7 mutáció, amely a Q koenzim szintéziséhez szükséges mitokondriális hidroxilázt kódolja, konzervált C. elegans egereknek (110). clk-1 A mutánsok mitokondriális légzése hibás az I. és III. komplex közötti elektrontranszfer károsodottsága miatt. Ez a hiba növelte a ROS (127) generációját. Az így generált ROS láthatóan szintén nem csökkentette az élettartamot, hanem meghosszabbította. Érdekes módon tehát a ROS-képződés és az élettartam meghosszabbítása olyan étrendi, farmakológiai vagy genetikai manipulációkból eredhet, amelyek növelik vagy csökkentik a mitokondriális légzést. Általánosságban véve ezek a metabolikus és energetikai stressz formái, amelyek sejt adaptív válaszokat válthatnak ki.

Azt a fogalmi elméletet, amely megmagyarázza, hogy a metabolikus stressz valójában hogyan segítheti elő az élettartam meghosszabbítását, mitokondriális hormézisnek vagy „mitohormézisnek” nevezik (151). Röviden, a metabolikusan indukált alacsony szintű mitokondriális stressz olyan sejtválaszokat vált ki, amelyek növelik a sejt stressztűrő képességét. Ezek a változások együttesen elnyomják az akut és elhúzódó ROS-termelést, és elősegítik a sejtek túlélését. A többsejtű szervezetek esetében az élettartam meghosszabbítása feltehetően akkor következik be, amikor a sejtes mitohormézis előnyei a szervezeti szintű túlélést jelentik. Számos „retrográd jelátviteli” útvonal ismert, amelyek érzékelik és továbbítják a mitokondriális jeleket, hogy megváltoztassák a nukleáris génexpressziót. Az ilyen jelátvitel egyik példája a mitokondriumok légzésének gátlása és a mitokondriális membránpotenciál megzavarása (ΔΨ)m) (57, 80, 111). Eredetileg élesztőben jellemezték, a ΔΨm csökkenése retrográd jelátvitelt indít el retrográd (Rtg) szabályozó faktorok halmazán keresztül, ami a két alapvető hélix-hurok-hélix transzkripciós faktor, az Rtg1 és Rtg3 heterodimerjének nukleáris transzlokációjában csúcsosodik ki, ami befolyásolja az expressziót. retrográd válasz célgének (80). Egy közelmúltban végzett, mtDNS-mutációkkal rendelkező emlős cybrid sejtekkel végzett tanulmány 72 transzkripciós faktort azonosított, amelyek potenciálisan részt vehetnek a mitokondriális retrográd jelátvitelben, beleértve azokat az útvonalakat, amelyekről nem ismert, hogy az élesztőben hatnak (22). A mitokondriális retrográd jelátvitel aktiválása meghosszabbítja az élesztőgombák élettartamát (93) és C. elegans (32), valamint humán fibroblasztok tenyészetében (106). A ROS által közvetített mitokondriális retrográd jelátvitel egyik formája a nukleáris faktor-κB (NF-κB) aktiválása (51, 122), amely fokozza a stresszválaszt, és számos sejttípusban elősegíti a túlélést (114). Kimutatták, hogy a mitokondriális ROS a mitogén által aktivált p38 protein kinázon keresztül hat, ami az emlőssejtek hipoxia jelátviteléhez (41) és az élettartam meghosszabbításához kapcsolódik. C. elegans (161).

A stressz és a mitokondrium károsodása szintén kiváltja a mitokondrium-specifikus kibontott fehérje választ (UPR mt ) (67, 138), egy kiemelkedő mitokondrium-nukleáris jelátviteli útvonalat, amely indukálja a mitokondriumot védő molekuláris chaperonok és a mitokondrium homeosztázis más szabályozóinak expresszióját. Az UPR mt hatékony jelátalakító az ETC perturbáción alapuló élettartam-növelésére (39). Egy friss jelentés rávilágított az UPR mt kezdeményezésére. A stresszhez kapcsolódó aktiváló transzkripciós faktor (ATFS)-1 a mitokondriális stressz szenzora, és rendelkezik nukleáris lokalizációs jellel és mitokondriális célzó szekvenciával is. A mitokondriális stressz során a mitokondriális import hatékonysága csökkent, lehetővé téve az ATFS-1 felhalmozódását a citoszolban, és a sejtmagba transzlokálva fokozza az UPR mt gének transzkripcióját (128).

A közelmúltban Houtkooper és munkatársai kidolgozták a „mitonukleáris fehérje egyensúlyhiány” fogalmát, amely a nukleáris és mitokondriumok által kódolt fehérjék expressziója közötti sztöchiometrikus egyensúlyhiány, mint az élettartam meghosszabbításának konzervált mechanizmusa (74). Egy ilyen egyensúlyhiány kísérletileg előidézhető a mitokondriális riboszómális fehérjék leverésével. A mitonukleáris fehérje egyensúlyhiányt és ennek következtében az UPR mt-t az mTOR farmakológiai perturbációja, valamint a CR mimetikumok is generálják (74). Úgy tűnik, hogy a mitonukleáris fehérje kiegyensúlyozatlanságának indukálása is a megőrzött NAD + szintek és a sirtuin aktivitás élettartam-elősegítő hatásának hátterében áll idős állatokban (123). Használva Drosophila modell, Owusu-Ansah és munkatársai kimutatták, hogy a transzgenikus RNSi által okozott enyhe izom-mitokondriális distressz az I. komplex komponensekkel szemben megőrizte az izomműködést és meghosszabbította az élettartamot (131). Ezek az izom-korlátozott fenotípusok nyilvánvalóan az UPR mt-t szabályozó gének redox-függő indukcióját, valamint a Drosophila gén ImpL2. Ez utóbbi egy inzulinszerű növekedési faktor-kötő fehérjét kódol, amely elnyomta az inzulin jelátvitelt és fokozta a mitofagiát. Ez egy fontos példa arra, hogy az energiafelhasználás egyik fő szervében előforduló mitohormézis meghosszabbíthatja az élettartamot.

Azt is hangsúlyozni kell, hogy az UPR mt korántsem önálló út az öregedés szempontjából, és nem meglepő, hogy a klasszikus endoplazmatikus retikulum (ER) stressz által kiváltott UPR-rel (ER UPR) való kapcsolatát felismerték. különösen krónikus gyulladásos betegségekben (149). Az ER és a mitokondriumok fizikailag és funkcionálisan összekapcsolódnak az ER-mitokondriális érintkezési helyeken (155), amelyek szabályozzák a sejthalál (49) és az autofágia (61) kulcsfontosságú sejtfolyamatait. Az élesztőben nemrégiben jelentették, hogy az ER a ROS fő forrása lehet mitokondriális diszfunkció esetén (99). A krónikus, alacsony fokú gyulladás az öregedő szervekre, például az agyra jellemző (141), és számos öregedéssel összefüggő rendellenesség hátterében áll az emberekben (21). Az autofágia folyamata szorosan összefügg a sejtek és a szervezet öregedésével (156). Ban ben C. elegans, kimutatták, hogy az IGF-I és az mTOR útvonalakból származó jelátvitel konvergál az autofágia szabályozásához, és úgy tűnik, hogy ez az élettartam szabályozásának kulcsfontosságú összetevője (176).

Érdekes módon a legújabb eredmények egyértelmű bizonyítékot szolgáltattak arra vonatkozóan, hogy a mitokondriumok jelzései nem sejtautonóm módon módosíthatják az öregedést. A sejtmag által kódolt citokróm RNSi által közvetített leütésének élettartam-meghosszabbító hatásának vizsgálatában c oxidáz-1 alegység Vb/COX4 (cco-1) ban ben C. elegans, Durieux et al. (39) azt találta, hogy leüt cco-1 specifikus szövetekben, például a bélben és a neuronokban jelentősen megnövelte az élettartamot az UPR mt felszabályozása révén, de ez nem így van cco-1 leütés a test-fal izmokban. Érdekes módon a neuronok mitokondriális perturbációja a bélben az UPR mt növekedését eredményezte. Úgy tűnik tehát, hogy az egyik szövetben a mitokondriális légzési stressz nemcsak a környező sejtekben, hanem egy távoli szövetben is aktiválhatja a mitokondriális stresszválasz útvonalát. Valójában a mitokondriális ROS jelátvitel az SKN-1/NRF2-n keresztül a redox-érzékeny neuronoktól C. elegans fej elegendőnek bizonyult az élettartam meghosszabbításához (161). Ennek a nem sejtes autonóm jelnek a természete, amelyet Durieux et al. (39), amelyet „mitokinnak” neveznek, még nem tisztázott. A mitokin egyik lehetséges jelöltje a mitokondriális légzéskárosodás genetikai úton vagy CR és mTOR gátlás eredményeként keletkező ROS.

Ha a ROS a mitokondriális retrográd jelátvitel egyik formája, amely hozzájárul az élettartam meghosszabbításához, milyen természetű a ROS-alapú jelátvitelért felelős faj? A szuperoxid anion O2 − rendkívül reaktív és nagyon rövid felezési ideje van. Könnyen dismutálható H-vé2O2 mind a mitokondriális, mind a citoplazmatikus SOD-ok által, és reagál a mitokondriális fehérjéken belüli Fe-S klaszterekkel. A hidroxil gyök még rövidebb életű és reakcióképes. Másrészt H2O2 biokémiailag kevésbé mérgező és hosszabb a felezési ideje, és mivel töltetlen, lehetővé teszi, hogy passzívan átdiffundáljon a membránokon, vagy az akvaporin csatornák által közvetített megkönnyített diffúzión keresztül (8, 120). A SOD-alapú reakciókon kívül H2O2 előállíthatók olyan elektrontranszfer folyamatokkal is, amelyek olyan molekulákat tartalmaznak, mint a hosszú élettartam génterméke és a p66Shc jelátviteli adapter (119). Az oxidatív stressz hatására a citoplazmatikus p66Shc egy része a mitokondriumokba transzlokál, ahol megköti a citokrómot. c és oxidoreduktázként működik, és elektronokat visz át a citokrómból c molekuláris oxigénhez (50). Érdekes módon H2O2 az ER-ben is képződik az oxidatív fehérjetekeredés melléktermékeként (178), vagy az ER NADPH oxidáz-4 aktivitása révén (186). Ha a ROS jelként működik, az érintett ROS pontos működő kémiai fajtája valószínűleg H2O2. H2O2 Az 1-metil-nikotinamidból, a nikotinamid metabolitjából, amelyet a sirtuinok NAD+-ra gyakorolt ​​​​aktivitása hoz létre, a közelmúltban javasolták, hogy megalapozza a uram-2.1 ban ben C. elegans (160). Jelenleg azonban nem világos, hogy a H hatékony koncentrációja2O2 indukálható és fenntartható jelként, amely nemcsak intercelluláris, hanem szervközi jelátvitelben is működhet. Természetesen ugyanolyan valószínű, hogy a mitokin fehérje vagy kis molekula. A lehetséges jelöltek közé tartoznak a mitokondriális eredetű peptidek, például a humanin, amely a stresszválasz ismert közvetítője (100, 189), vagy egy anyagcsere-szabályozó citokin, például az FGF21 (16, 109).


PÉLDÁK PROJEKTEKRE A LABORBAN:

A digitális vagy analóg információ elvesztése az öregedés miatt? Az epigenetikus zaj az oka annak, hogy öregszünk?

Kidolgoztuk a „The Relocalization of Chromatin Modifiers (RCM) hipotézist”, amely azt sugallja, hogy a kromatin faktorok DNS-károsodás hatására bekövetkező áthelyezéséből adódó epigenetikai változások az öregedés fő okai lehetnek. Ez igaz az élesztősejtekre, és úgy tűnik, hogy minden eukarióta esetében igaz. A DNS-törésre válaszul a génexpressziót szabályozó fehérjék a töréshez költöznek, hogy segítsenek a helyreállításban, ami génexpressziós változásokat eredményez. Fiatal sejtekben ez a folyamat a DNS-javítás befejeztével visszaáll. Azonban nem minden fehérje jut vissza oda, ahonnan származott, ami génexpressziós változásokhoz és sejtazonosság elvesztéséhez vezet. Kifejlesztettük az „ICE” egeret (az epigenom indukálható változásaira), amely lehetővé teszi számunkra, hogy DNS-töréseket idézzünk elő, és olyan epigenetikai változásokat hajtsunk végre, amelyek felgyorsítják az öregedést. A munka most ennek az öregedési folyamatnak a visszafordítására irányul.

C57BL/6 Testvérek: Kontroll kontra ICE 16 hónapos korban

A sejtek újraprogramozása, hogy újra fiatalok legyenek

Munkánk arra a következtetésre vezetett, hogy az epigenetikai információ elvesztése valószínűleg az öregedés kiváltó oka. Analógia útján, ha a DNS a digitális információ egy CD-n, akkor az öregedés a karcolásoknak köszönhető. Polírozót keresünk. Munkánk során olyan újraprogramozási tényezőket azonosítottunk, amelyekről úgy gondoljuk, hogy visszaállíthatjuk a sejt epigenetikai állapotát és megfordíthatjuk annak korát. Emberekkel kompatibilis vírusvektorokat fejlesztettünk ki, amelyek az átprogramozó géneket meghatározott szövetekbe vagy az egész testbe juttatják, ezáltal a sejtek fiatalabbak lesznek, és a sebek gyorsabban gyógyulnak. Jelenlegi fókuszunk az idegek regenerációja és az öregedés egyéb tüneteinek visszafordítása. Úgy látjuk, hogy a háziállatok és az emberek olyan kezelések lehetségesek, amelyek jelentősen javítják egészségüket és élettartamukat.

Ideg regeneráció

Tudunk-e olyan gyógyszereket kifejleszteni, amelyek lassítják az öregedést?

A SIRT1-gyel kapcsolatos munkánk arra az izgalmas felfedezésre vezetett, hogy a SIRT1 kofaktora, a nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD+) szintje az életkorral csökken. Tanulmányozzuk azokat a mechanizmusokat, amelyek révén a NAD+ szint befolyásolja a DNS-javítást, és terápiás célpontokat keresünk ennek a folyamatnak a javítására. Különösen a NAD+-t kimerítő és termelő enzimek biológiájának körülhatárolására összpontosítunk, mint közvetlen eszközökre a sejtek NAD+ szintjének szabályozására a megnövekedett egészségi állapot és a fiziológiai ellenálló képesség javítása érdekében.

A hosszú élettartam gének felfedezése megmutatta, hogy egyetlen központi útvonal manipulálásával nagymértékben lelassítható az öregedés és a betegségek üteme. Ez felveti annak lehetőségét, hogy találhatunk olyan kis molekulákat, amelyek egyetlen gyógyszerrel több, látszólag egymástól független betegséget is képesek kezelni. Laboratóriumunk nagyon aktív volt ezen a területen, kezdve a sirtuin aktiváló vegyületek (STAC) felfedezésével 2003-ban. Azóta hatékony aktivátorokat fedeztek fel, és ezek közül néhányat már klinikai vizsgálatokban is végeznek, és pozitív eredményeket produkálnak. Aktív tanulmányaink vannak, hogy megértsük, hogyan működnek a STAC-ok molekuláris és fiziológiai szinten, élvonalbeli enzimológiai és szerkezeti módszerekkel és egérgenetikai modellekkel, amelyekben az állat élete során bármikor törölhetünk géneket, illetve bizonyos szervekben. Megállapítottuk például, hogy a resveratrol és az SRT1720 nevű STAC mitokondriális funkciójának növeléséhez szükséges a SIRT1 gén in vivo. Aktív programunk van új molekulák fejlesztésére, amelyek növelik a NAD szintet. Teszteljük őket az öregedésre és az életkorral összefüggő betegségekre gyakorolt ​​hatásuk szempontjából. Folyamatban vannak a NAD-fokozó molekulákkal végzett humán klinikai vizsgálatok.

Az egészség javítása a NAD+ Boosting segítségével

A mitokondriumok szerepének megértése az öregedésben és a betegségekben

A mitokondriumok tanulmányozása az elmúlt években reneszánszát élte. Számos bizonyíték utal arra, hogy az öregedéssel összefüggő gyakori betegségek mitokondriális összetevőkkel rendelkeznek. Meglepően keveset tudunk azonban arról, hogy mi vezet a mitokondriális alkalmasság fokozatos elvesztéséhez az öregedés során. Megvizsgáljuk azokat a sejtes mechanizmusokat, amelyek felhasználhatók a mitokondriális homeosztázis fenntartására és végső soron az egészségi állapot meghosszabbítására.

Egyik kutatási irányunk a nukleáris és a mitokondriális genom közötti folyamatos aszinkron felfedezéséhez vezetett az öregedés során. Az új genetikai és farmakológiai megközelítések felhasználásával ezt a tudást arra használjuk, hogy az idős egerek metabolikus funkcióját visszaállítsuk a fiatalos szintre. Megállapítottuk, hogy a mitokondriális NAD+ szintek diktálják a sejtek túlélését, amit "Mitochondrial Oasis hipotézisnek" nevezünk. Ezt a munkát követően izgalmas hipotézist fogalmaztunk meg, amely szerint a NAD+ mitokondriumokból való kiszivárgása az öregedés és a memóriavesztés oka.

Érdekelnek bennünket olyan új gének és jelátviteli kaszkádok azonosítása is az emberi genomban, amelyek szabályozzák a mitokondriális működést. Új genombányászati ​​algoritmusokat fejlesztünk, fejlett szekvenálási és proteomikai eszközöket, valamint nagy áteresztőképességű szűrési módszereket használva a mitokondriális szabályozók legteljesebb hálózatának feltérképezésére. Ez a munka új betekintést nyújt a mitokondriális biológia alapvető aspektusaiba, valamint a mitokondriális hibák megelőzésének vagy korrigálásának módjába. Arra is kíváncsiak vagyunk, hogy olyan új szekretált faktorokat találjunk, amelyek növelik a mitokondriális funkciót, és olyan jelzőfaktorok jelöltjei, amelyek a közelmúltban szerepet játszanak az egyszerű szervezetek öregedésének szisztémás szabályozásában.

A sejtmagot körülvevő mitokondriális hálózat (mitoTimer)

A menopauza késleltetése és a női meddőség visszafordítása

A petefészek őssejtek egy nemrégiben felfedezett sejttípus, amely petesejteket eredményezhet a tenyészetben, és egészséges petesejteket termelhet in vivo. Ez a munka megdöntheti azt a dogmát, hogy egy nőstény meghatározott számú petékkel születik, amelyek idővel egyszerűen elvesznek a károsodás és a genomiális instabilitás miatt. Az öregedés és az anyagcsere tanulmányozása során szerzett ismereteinket arra használjuk, hogy megértsük, hogyan lehet késleltetni vagy visszafordítani a női meddőséget. Célunk olyan gének és kis molekulák azonosítása, amelyek in vivo képesek reaktiválni a petefészek őssejteket a korai petefészek-elégtelenség, a kemoterápiás petefészek-elégtelenség (rákbetegeknél) kezelésére, valamint a nők egészséges és termékeny időszakának meghosszabbítására.

Két sejtes embrió

Lelassíthatjuk vagy akár visszafordíthatjuk a neurodegeneratív betegségeket?

A neurodegeneratív betegségek elsősorban az élet közepén vagy későn jelentkeznek, így előfordulásuk az idősödő népességben növekszik. Aktívan dolgozunk a neuronális degeneráció molekuláris mozgatórugóinak azonosításán, mint például az új gének, az epigenetikai változások és a metabolikus egyensúlyhiány különféle kísérleti megközelítések alkalmazásával, beleértve a gének és a génfunkciók klasszikus vizsgálatait, a fejlett omikat és az új transzgenikus egérmodelleket, beleértve a NICE egeret (pl. neuronális indukálható változások az epigenomban), amely lehetővé teszi az öregedő agy epigenetikai változásainak vizsgálatát. Vizsgálataink során olyan terápiás beavatkozások kidolgozására törekszünk, amelyek megelőzhetik vagy lassíthatják a betegség előrehaladását, sőt a károsodott szövetek regenerálásával akár vissza is fordíthatják azt.

Egészséges agy kontra agy A-béta plakkokkal – a fotó Jaime Ross jóvoltából

Az emberi szekréció feltárása

A peptid hormonok szabályozzák az embrionális fejlődést és a legtöbb élettani folyamatot azáltal, hogy endokrin vagy parakrin jelekként működnek. Nagy terápiás potenciállal is rendelkeznek, akár gyógyszerként, akár célpontként a gyakori és ritka betegségek kezelésére egyaránt. Mégis a peptidet kódoló gének azonosítása alább

300 bázispár eleve nehéz, mert a „genomiális zajon belül” léteznek. Célunk az emberi szekréció feltárása és az újonnan felfedezett hormonok felhasználása az emberi állapot javítására. Az elmúlt néhány évben olyan egyedülálló technológiai sorozatot fejlesztettünk ki, amely egyesíti a matematika, a számítógépes hardver és szoftver, a proteomika, a tömegspektrometria és a nagy áteresztőképességű szűrés terén elért áttöréseket, amelyek mindegyikét optimalizáltuk és integráltuk. Ennek a platformnak a használatával, amelyért elnyertük a NIH Director's Pioneer Award díját, több ezer feltételezett peptidkódoló gént fedeztünk fel. Célunk ezen peptidek aktivitásának szűrése, hogy meghatározzuk biológiai szerepüket és lehetséges terápiás alkalmazásukat biológiában és betegségekben.


Mitokondriális diszfunkció az életkorral összefüggő anyagcsere-rendellenességekben

Az öregedés egy természetes biológiai folyamat az élő szervezetekben, amelyet a visszahúzódó bioenergetika jellemez. A mitokondriumok kulcsfontosságúak a sejtek bioenergetikája szempontjából, és így fontos szerepet játszanak az életkorral összefüggő energetikai romlásban. Ezenkívül a mitokondriumok fontos szerepet játszanak a kalcium jelátvitelében, a redox homeosztázisban és a termogenezisben, így ez az organellum a sejt sorsát meghatározó fő sejtkomponenssé teszi. Mennyiségének és minőségének megőrzése érdekében a mitokondriumok számos folyamaton mennek keresztül, például hasadáson, fúzión és mitofágián, hogy megszüntessék vagy pótolják a sérült mitokondriumokat. Noha ez a bioenergetikai gépezet megfelelően védett, az életkorral és az életkorral összefüggő anyagcsere-betegségekkel kapcsolatos funkcionális hanyatlás többnyire az ilyen védőmechanizmusok meghibásodásának a következménye. Ezenkívül az anyagcsere melléktermékei, mint például a reaktív oxigénfajták, szintén elősegítik ezt a pusztító utat. A mitokondriális diszfunkciót mindig is betegségekhez kötték. Ezenkívül az elmúlt évek tanulmányai rámutattak arra, hogy az öregedés hozzájárul a mitokondriális egészség romlásához azáltal, hogy elősegíti a kulcsfontosságú mitokondriális szabályozású útvonalak egyensúlyhiányát. Ezért alapvető fontosságú, hogy megértsük a mitokondriális diszfunkció összefüggését az életkorral összefüggő betegségekben. Ez az áttekintés az alapvető mitokondriális biológia különböző aspektusaira, valamint az öregedéssel és az életkorral összefüggő anyagcsere-betegségekkel kapcsolatos állapotára összpontosít.


Következtetés

Az idősödő agy bioenergetikai rendszere összetett, adaptív és dinamikus. A kronológiai öregedés és az endokrinológiai öregedés egyaránt befolyásolja az agy bioenergetikai rendszerének kritikus aspektusait. Az agy és a perifériás anyagcsere közötti kapcsolat dinamikus, és hatással van az agyi anyagcserezavarok kezelésére irányuló terápiás és táplálkozási beavatkozásokra. Tekintettel az öregedő női agy és a prodromális AD közötti párhuzamos metabolikus fenotípusra, megfigyeléseink betekintést nyújtanak az agy metabolikus egészségének fenntartására és az AD kockázatának csökkentésére szolgáló megelőző és terápiás lehetőségekbe.


A MERC szabályozási szerepes a mitofágiában

Az autofágia a sérült organellumok és intracelluláris fehérje-aggregátumok eliminációján keresztül védő szerepet tölt be a sejtek öregedésével szemben (Rubinsztein és mtsai, 2011 Ranieri et al., 2018). Érdekes módon a MERC-ket a közelmúltban az autofágia beindításának és működésének platformjaként javasolták (Hamasaki et al., 2013 Bockler és Westermann, 2014), az ER–MT interfész lipidösszetételének modulálásában betöltött szerepük alapján. Különösen a PE mesterséges növelése pozitívan szabályozza az autofág fluxust, és így jelentősen meghosszabbítja az élettartamot élesztőgombákban, emlőssejtekben és legyekben (Rockenfeller et al., 2015). Ezen túlmenően a MAM lipid-raft mikrodoménekről és a GD3 gangliozidról számoltak be, hogy részt vesznek a kezdeti organellum összekeveredési tevékenységben, amely végül az autofagoszóma kialakulásához vezet (Garofalo et al., 2016).

A tethering faktor szerepe mellett az Mfn2 a mitofagia, az MT szelektív lebomlásának fontos szabályozójaként jelent meg az autofágia aktiválása során (Chen és Dorn, 2013 Bockler és Westermann, 2014). Különösen a mitofágia során a PINK1-foszforilált Mfn2 a parkin receptoraként működik, amely viszont közvetíti az MFN2 ubikvitinációját, jelezve a sérült MT toborzást és ubiquitinációt, amely mitofágia beindulásához vezet. Így, tekintettel arra, hogy az Mfn2 a MERC-ken lokalizálódik, elképzelhető, hogy a MERC-k elsősorban a mitofagiában vesznek részt és vesznek részt, nem pedig a hasadási és fúziós folyamatokban.

Az élesztőben végzett vizsgálatok érdekes modellt adtak a MERC-k szerepére az elöregedett MT sejtből való eltávolításában. Valójában az élesztősejtek mitózisa során a MERC-k kötési aktivitása elengedhetetlen az anyai MT elkülönítéséhez és a toxikus fehérje aggregátumok felhalmozásához, elválasztva azokat a bimbó által megszerzett MT-től, amelyek nagyrészt mentesek az aggregátumoktól (Mogk és Bukau, 2014 Zhou et al., 2014). Érdekes módon ez a mechanizmus, amely a sejtkörnyezet megfiatalításának stratégiáját jelenti, magában foglalja a MERC-ket, és az előrehaladott replikációs korú sejtek fokozatosan elvesztik, ami arra utal, hogy a MERC-k részt vesznek a mitokondriális minőség-ellenőrzésben (Zhou et al., 2014). Még érdekesebb, hogy az emberi emlőhámsejtekben hasonló eseményt figyeltek meg a sejtosztódást követően. Az emlősejtekben a finomhangolt hasadási események lehetővé teszik, hogy a leánysejtek, amelyeknek meg kell őrizniük a törzsi tulajdonságokat, újonnan szintetizált MT-t kapjanak, míg a differenciálódáson áteső leánysejtek idős MT-t kapnak (Katajisto et al., 2015). Ennek következtében ez a mechanizmus úgy van beállítva, hogy megőrizze a szövet regenerációs képességét és megakadályozza az öregedést. Hasonlóképpen, a közelmúltban végzett munkák feltárták, hogy a MERC-k térben hogyan kapcsolódnak a mitokondriális DNS-szintézishez mind az emberben, mind az élesztőben (Murley et al., 2013 Lewis et al., 2016). Más szóval azt találták, hogy a MERC-k koordinálják a mitokondriális nukleoidok replikációját a mitokondriális hasadással annak érdekében, hogy a megfelelő nukleoidokat eloszlassák a leány-MT-ben. Összességében ezek a bizonyítékok megerősítik, hogy a MERC-k részt vesznek a mitokondriális hasadás modulálásában, mint stratégia a sejtöregedés kialakulásával szemben.

Figyelembe véve az Mfn2 döntő szerepét az ER–MT megkötésében, a mitokondriális fúzióban és a mitofagiában, nem meglepő, hogy megszaporodtak a kísérleti bizonyítékok és tanulmányok, amelyek az Mfn2-t az öregedéssel és az életkorral összefüggő betegségekkel kapcsolják össze. Nevezetesen, az Mfn2-nek tulajdonított összes mitokondriális dinamikával kapcsolatos folyamat fontos a mitokondriális funkció optimalizálása és az öregedés és a degeneráció elkerülése érdekében. Valójában a MEF-ekben, a kardiomiocitákban és a neuronokban az Mfn2-knockout károsítja a mitofagiát, ami sérült MT-felhalmozódáshoz, sejthalálhoz és szöveti degenerációhoz vezet. Figyelemre méltó, hogy ezek az Mfn2 diszfunkcióval járó kóros mechanizmusok számos életkorral összefüggő betegségben megtalálhatók, mint például az Alzheimer-kór, a Parkinson-kór, a cukorbetegség és a kardiomiopátiák (Filadi et al., 2018).

Nem véletlen, hogy az öregedő egerek vázizomzatában az Mfn2 progresszív csökkenését, amely károsodott mitofagiát és diszfunkcionális MT felhalmozódást okozott, szarkopéniával összefüggésben (Sebastian et al., 2016). Az idő előtti öregedés PolG egérmodelljében, amelyet az mtDNS-polimeráz gamma (PolG egerek) lektorálás-hiányos változatának expresszálásával kaptak, az egérsejtek a Fis1 mitokondriális hasadási fehérje magasabb szintjét mutatták, párhuzamosan a megnövekedett mitofagiával, amely valószínűleg hozzájárul a szarkopéniához. korai öregedésben megfigyelt fenotípus (Joseph et al., 2013). Ezzel szemben a vad típusú idős egereket magasabb Mfn2 és Mfn1 szint és csökkent Fis1 szint jellemezte, ami fokozott mitokondriális fúzióra és csökkent mitofagiára utal, valószínűleg válaszul a mitokondriális DNS-mutációk fiziológiás felhalmozódására az idős izmokban. Hasonlóképpen, fokozott mitokondriális fúziót találtak az elöregedő mesenchymális stroma őssejtekben is, amelyek magasabb Mfn1 és OPA1 szintet mutattak, valamint megnövekedett mitokondriális tömeget és ROS-t, mint a fiatalabb sejteknél alacsonyabb passzázsoknál (Stab et al., 2016).

Összefoglalva, az autofágia stimulálása állatmodellekben minden bizonnyal javíthat számos öregedéssel összefüggő fenotípuson. Ezek az adatok összességében azt mutatják, hogy az élettartam-hosszabbító kezelésekből származó jótékony hatások (legalábbis részben) a mitofágia indukciójával magyarázhatók. Future studies should provide further insights into how these mechanisms intersect with the mitophagy pathway in order to maintain mitochondrial fitness in vivo.


MAM in aging and senescence: a proteomic perspective

The MAM proteome was comprehensively analyzed for the first time by Zhang et al. 19 , who identified 991 proteins in the “heavy” MAM fraction (which can be isolated at lower centrifugal forces compared to standard MAM isolation procedures). Later on, Poston et al. 20 reported 1212 candidates, including weak soluble proteins, present at the MAM. Among them were commonly recognized MAM proteins: ACAT1, BiP/GRP78, calnexin, calreticulin, Erlin-1, Erlin-2, ERP44, HSPA9, MFN1, PDIA3, VDAC1, VDAC2, and VDAC3. The MS analysis enabled the characterization and classification of proteins identified in MAM into three groups: (1) those localized only in MAM (“MAM-resident proteins”) (2) those localized in MAM but present in other cellular compartments (“MAM-enriched proteins”) and (3) those temporarily present in MAM (“MAM-associated proteins”) 20 . Up to date, increasing number of reports has been published describing importance of the MAM proteome in regulation of cellular biology and senescence 17,18,19,20,21,22,23 .

Mitochondrial structure and MERCs

Mitochondrial malfunctioning and structural variations have been linked with aging and age-associated disorders 21,22 . Mitochondrial morphology is very dynamic and can vary from a fragmented to a filamentous network as an effect of competition between the processes of fusion and fission, which are the key determinants of the mitochondrial quality control 23 . In particular, the levels of mitochondrial fusion proteins Mfn1 and Mfn2 were shown to be increased in aging skeletal muscle, indicating for upregulated fusion, likely in response to the accumulated mutations in the mitochondrial DNA 24,25 . The increased fusion was accompanied by reduced levels of the fission protein Fis1. Interestingly, mitochondrial network rearrangements are regulated by MERCs, which have been shown to mark the sites of mitochondrial fission 26 . Furthermore, senescent human adipose-derived mesenchymal stromal/stem cells exhibited increased levels of mitochondrial mass, superoxide and mitochondrial fusion proteins as mitofusin 1 (Mfn1) and dynamin-related GTPase (OPA1) compared with young cells at low passages 27 . These observations indicate that changes in mitochondrial morphology observed in aging cells can be linked to the misregulated processes of fission and fusion.

Misfolded protein aggregates present in MERCs

The loss of proteostasis, which is manifested by the decreased protein degradation ability of a cell, is one of the hallmarks of aging. Consequently, aggregates of damaged or misfolded proteins accumulate, leading to cell degeneration, and many pathologies. It has been recently reported that mitochondria are involved in the asymmetric segregation of the toxic aggregates during cell division in yeast 28,29,30 , which provides a mechanism for rejuvenation of the bud. In this process, the cellular debris is retained in the older mother cell, while the younger bud is essentially free of toxic protein waste. The protein aggregates have been shown to associate with the ER surface and localize at MERCs, indicating the possible role of MERCs in the protein quality control system 28 . A similar process was observed in immortalized human mammary epithelial stem-like cells undergoing asymmetric division, where newly synthesized mitochondria segregated preferentially to the daughter cell maintaining stemness properties, while daughter cells which received older mitochondria gave rise to differentiated cells 31 . Further studies using the split-GFP system in human RPE1 cells and in yeast revealed that cytosolic proteins prone to aggregation are imported into mitochondria in order to undergo degradation by mitochondrial proteases, such as Pim1 29 . This indicates that mitochondria play a role in both segregation and degradation of protein aggregates.

Cooperation of mitochondria, the ER and MAM in ROS production

Reactive oxygen species (ROS) and aging

Increased intracellular levels of ROS and consequential oxidative damage to proteins, lipids, and DNA have been reported in many models of aging 32,33,34 . Although it is now clear that aging process is far too complex to be explained by one mechanism, the evidence that accumulation of oxidative damage is among the events contributing to aging phenomenon is quite extensive. Proteins responsible for intracellular ROS generation are located nearly in all subcellular compartments including mitochondria and the ER 34,35 . ROS present at moderate levels participate in intracellular signaling however, excessive amount of these highly reactive molecules is harmful. Since MAM are dynamic structures enhancing communication between mitochondria and ER, they may play role in regulation of ROS production by ER and mitochondria.

ROS sources in mitochondria and ER

Mitochondrial respiratory chain has long been recognized as the main source of deleterious free radicals such as superoxide radical anion (O2 .•− ), which are responsible for age-related oxidative stress 36,37 . In recent years this view has been challenged and other intracellular ROS sources are gaining increased attention 38 . Depending on the tissue type, physiological state or pathological conditions, various enzymes localized in different subcellular compartments may be the dominant ROS producers. However, the significance of mitochondrial ROS in the aging process is supported by the marked overrepresentation of the mitochondrial proteome among the proteins subjected to oxidative damage throughout a lifespan 39 . The main ROS produced in mitochondria is superoxide radical anion O2 •− , which is dismutated to H2O2. In turn, H2O2 gives rise to highly reactive OH in the reaction catalyzed by transition metals. There are several sites in mitochondria where ROS can be formed, including the respiratory chain complexes I and III. The rate of superoxide generation by these sites depends strictly on the redox state of the respiratory chain 33 . Other known mitochondrial ROS sources, releasing either O2 •− or H2O2, include the following: mitochondrial cytochrome b5 reductase 40 and monoamine oxidases 41 (associated with outer mitochondrial membrane), dihydroorotate dehydrogenase 42 , and glycerol-3-phosphate dehydrogenase (located at the outer surface of the inner mitochondrial membrane) 43 , electron transfer flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase (localized on the matrix face of the inner mitochondrial membrane), and two mitochondrial matrix enzyme complexes: α-ketoglutarate dehydrogenase 44,45 , and pyruvate dehydrogenase 35 . Interestingly, most of the abovementioned proteins and protein complexes have been found to be increasingly carbonylated during aging and senescence 39 .

When compared with mitochondria, ROS production in the ER is less studied, partly due to the limited choices of appropriate tools for measuring the ROS levels in this compartment. In the ER, proteins from the cytochrome P450 family 46 , NADPH oxidase 4 (Nox4) 47 , and endoplasmic reticulum oxireductin (Ero1) 48 are the well-known ROS producers. Ero1 exists in two isoforms: Ero1-α and Ero1-β 49,50,51 . Interestingly, Ero1-Lα binds to the ER membrane especially in regions involved in MAM formation, and approximately 75% of Ero1-Lα is localized in the MAM fraction 52 . There is still missing evidence regarding ROS levels in the ER at different stages of life however, aging appears to be accompanied by increased oxidative damage and the dysfunction of specific ER proteins, such as the ryanodine receptor (RyR) 53, the chaperones protein disulfide isomerase (PDI) and immunoglobulin heavy chain binding protein (BiP) 54,55 .

Mitochondria-ER contact sites as modulators of ROS synthesis and targets of oxidative damage

The MAM structure facilitates mitochondrial calcium uptake upon its release from the ER by coupling IP3R with a voltage-dependent anion channel (VDAC) 56 . The influx of Ca 2+ to the mitochondrial matrix affects multiple aspects of mitochondrial function, such as Krebs cycle enzyme activity, ATP synthesis, mitochondrial permeability transition pore (PTP) opening, the mitochondrial membrane potential and respiration, and in consequence, mitochondrial ROS production 57,58,59,60,61 . Mutual dependencies between ER function and mitochondrial ROS production have also been demonstrated upon the aging-dependent deterioration of RyR function 53,59 . In the skeletal muscle of aged mice, increased carbonylation and cysteine nitrosylation of RyR1 was accompanied by channel “leakiness,” reduced Ca 2+ transients upon electric stimulation of the muscle fibers, increased ROS levels and impaired muscle force production. The mitochondrially targeted overexpression of catalase diminished the oxidative modifications of RyR 59 . On the other hand, RyR1 destabilization by rapamycin treatment resulted in increased Ca 2+ levels in the mitochondrial matrix, a decreased mitochondrial membrane potential and enhanced mitochondrial superoxide production 59 . Furthermore, increased mitochondrial lipid peroxidation in the skeletal muscle of mice with the Y522S mutation in RyR1 was associated with increased Ca 2+ leakage through the channel 62 . Interestingly, mitochondrial damage, as well as accompanying muscle dysfunction, could be diminished by treatment with the antioxidant N-acetylcysteine, indicating involvement of ROS 62 .

The translocation and enrichment of the MAM fraction with the Ero1-Lα isoform is regulated by the oxidoreductive status of the ER environment. In fact, hypoxic conditions lead to the complete relocation of Ero1-Lα from MAM 52 . Ero1-Lα is a FAD-dependent oxidase that together with PDI plays an essential role in protein folding 63,64 . PDI directly interacts with newly synthesized and folded proteins and catalyzes disulfide bond formation by accepting electrons. In turn, Ero1 restores the oxidized state of PDI and transfers the accepted electrons from PDI to molecular oxygen, leading to H2O2 synthesis 64,65,66 . In addition, Ero1-Lα is crucial in the regulation of calcium release via MAM and IP3R1. During ER stress, Ero1-Lα oxidizes IP3R1, which potentiates the release of Ca 2+ from the ER 49 . Next, ERp44 (ER luminal chaperone protein), which can also be found in MAM, binds to IP3R1, resulting in the inhibition of Ca 2+ transfer to mitochondria at MERCs 67 . Interestingly, IP3R1 oxidation by Ero1-Lα causes the dissociation of ERp44 from IP3R1, thus promoting the activation of calcium release via IP3R1 49,68 .

Proteins present in MAM and involved in ROS generation are presented in Fig. 2.

Schematic representation of ER, mitochondria, and MAMs with major mechanism of ROS production and Ca 2+ cross-talk. 2OGDH Oxoglutarate dehydrogenase, CYB5R3 NADH:cytochrome b5 reductase, cyt. c cytochrome c, DHODH dihydroorotate dehydrogenase, Ero1 endoplasmic reticulum oxireductin, ETF electron transfer flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase, Ero1α endoplasmic reticulum oxidoreductin, GPDH glycerol-3-phosphate dehydrogenase, GRP75 75 kDa glucose-regulated protein, NADH:ubiquinone oxidoreductase (I), CoQH2-cytochrome c reductase (III), IMM inner mitochondrial membrane, IP3R inositol triphosphate receptor, KGDHC α-ketoglutarate dehydrogenase complex, MAO monoamine oxidases A/B, Nox4 NADPH oxidase 4, OMM outer mitochondrial membrane, p66Shc p66Shc protein, PDI protein disulfide isomerase, PDH pyruvate dehydrogenase, VDAC voltage-dependent anion channel

P66Shc and its involvement in ROS production and aging

Among the many proteins found in the MAM, the 66-kilodalton isoform of the growth factor adapter Shc (p66Shc) protein has been reported to stimulate ROS synthesis and be tightly connected with the oxidative challenge, age-derived diseases and the aging process 69,70,71 . P66Shc together with p52Shc and p46Shc belongs to the ShcA family, and plays the role of a dominant negative regulator in the signal transduction from the growth factor receptor via the Ras-mediated signaling 72,73 . Furthermore, it has been demonstrated that p66Shc knockout mice are less sensitive to oxidative and hypoxic stress and live approximately 30% longer than wild-type animals 69 .

While p66Shc is considered a cytosolic protein, it has also been found in the following locations: (a) the mitochondrial matrix 74 (b) the mitochondrial intermembrane space 70 (c) associated with the OMM from its cytosolic side 71 and finally (d) in the MAM fraction. Exogenous or endogenous oxidative stress can stimulate the critical phosphorylation of p66Shc at the Ser36 residue 69 and enhance its translocation to or association with mitochondria 75 . The p66Shc is phosphorylated at Ser36, and subsequently isomerized, dephosphorylated, and finally translocated to the mitochondrial intermembrane space (MIMS) and/or the MAM fraction, where it participates in ROS production 70,75,76,77,78,79,80 . The p66Shc catalyzes the reduction of O2 to H2O2 in the mitochondrial intermembrane space at the cost of cytochrome c oxidation, which appears to be an important step in the induction of apoptosis through the mitochondrial pathway 70 . Unfortunately, whether p66Shc is translocated to the MIMS in mitochondria 70 or binds to the OMM (from the cytosolic side) involved in MAM formation 71 remains a matter of debate. Yet, regardless in which cellular compartment p66Shc contributes to ROS production 81 , its participation in the feedback loop of ROS-induced p66Shc ROS production indicates that p66Shc could be involved in mammalian lifespan regulation. Thus, by translating oxidative stress damage into cell death, p66Shc becomes an apoptotic inducer shortening the lifespan 75 . Az p66Shc mRNA and p66Shc protein were highly expressed in fibroblasts from centenarians compared with fibroblasts from young and elderly individuals 82 . In contrast, the primary cultures of skin fibroblasts derived from newborn and 18-month-old mice expressed similar levels of p66Shc 71 . However, the expression of p66Shc was significantly higher in the liver, heart, lungs, skin, and diaphragm of adult mice than in newborn littermates 69 . Higher levels of p66Shc in the MAM isolated from the livers of old mice and increased ROS production by crude mitochondria (containing MAM) argue in favor of the translocation of p66Shc to the MAM in the cellular response to age-related oxidative stress 71,83 . Moreover, p66Shc is also present in plasma membrane-associated membranes (PAM). Interestingly, the level of p66Shc changes reciprocally in PAM and MAM, depending on the age of the animal 71 .

It has been demonstrated that an extracellular agonist-stimulated Ca 2+ uptake by mitochondria in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) is gradually decreased with culture time (see Fig. 3) 75 . Interestingly, such dependency was not reported in p66Shc-deficient MEFs 75 . After oxidative challenge, a reduction in the mitochondrial Ca 2+ response and fragmentation of the three-dimensional mitochondrial network was observed in wild-type MEFs, but only minor changes in the Ca 2+ response and morphology were detected in p66 Shc–/– cells 75 . Moreover, the inhibition of p66Shc phosphorylation at Ser36 with the use of hispidin, a specific blocker of the PKCβ isoform, preserved the mitochondrial morphology in wild-type MEFs. Similarly, no alterations in the passage-dependent decrease in mitochondrial calcium were observed in these cells after treatment with hispidin 75 .

Mitochondrial Ca 2+ responses ([Ca 2+ ]mit) in MEFs during ATP challenge as a function of a passage number. The pseudocolor scale (on the jobb) indicates the approximate changes of mitochondrial calcium level, where light pink represents low Ca 2+ and red high (physiological) Ca 2+ levels. Blue dots—represent senescence marker, β-galactosidase activity

MAM, the link between mitochondria and the ER in mitochondrial Ca 2+ uptake in senescent cells

Studies of a neuronal aging model revealed increased Ca 2+ transfer from the ER to mitochondria in long-term cultured neurons, whereas no functional coupling was observed between the ER and mitochondria during short-term culturing 84 . The increased Ca 2+ uptake by mitochondria is considered to be responsible for the downregulation of store-operated calcium entry, which in turn causes the impaired stability of mushroom spines, leading to aging-associated cognitive decline 84 . The increased ER-mitochondria Ca 2+ transfer was accompanied by the upregulation of the mitochondrial calcium uniporter (MCU) 85 , which suggests the involvement of MERCs in the process, since they are hotspots for Ca 2+ signaling 86,87 . Increased Ca 2+ transfer to mitochondria could serve as a regulatory mechanism to counterbalance the loss of mitochondrial potential in aging cells. The proposed mechanism of the Ca 2+ flux through MERCs involves control over the calcium channel expression level as well as the number and structure of MERCs. Indeed, the number of contact sites is a well-known determinant of the extent of Ca 2+ transferred between mitochondria and ER 88,89 . The mechanism of such regulation relies on the laws of diffusion, according to which doubling the distance causes a fourfold increase in the travel time required, thus reducing the efficiency of diffusional transport at larger distances 18 . Recently, it was demonstrated that ultrastructure of the MERCs itself, in particular the thickness of MERCs, is a crucial factor regulating the efficiency of Ca 2+ transport 18 . Interestingly, knockdown of MCU and inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 2 (ITPR2), both involved in the accumulation of calcium in mitochondria, resulted in senescence escape, indicating the role of mitochondrial calcium accumulation in senescence induction 90 . Similarly, lower number of contacts between mitochondria and the ER in senescent human fibroblasts could be also responsible for the compromised mitochondrial calcium uptake in senescent cells. Notwithstanding this, additional studies are needed to identify which factors have the highest influence of the regulation of Ca 2+ fluxes through MERCs in aging cells.


Absztrakt

Lifespan varies considerably among even closely related species, as exemplified by rodents and primates. Despite these disparities in lifespan, most studies have focused on intra-specific aging pathologies, primarily within a select few systems. While mice have provided much insight into aging biology, it is unclear if such a short-lived species lack defences against senescence that may have evolved in related longevous species. Many age-related diseases have been linked to mitochondrial dysfunction that are measured by decreased energy generation, structural damage to cellular components, and even cell death. Post translational modifications (PTMs) orchestrate many of the pathways associated with cellular metabolism, and are thought to be a key regulator in biological senescence. We propose hyperacylation as one such modification that may be implicated in numerous mitochondrial impairments affecting energy metabolism. Keywords: Comparative biology, Sirtuin 3, Acylation, Mitochondria, Aging



Hozzászólások:

  1. Winn

    És így próbáltad?

  2. Deerward

    Elnézést kérek, nem tudok segíteni. De az biztos, hogy megtalálja a helyes döntést. Ne ess kétségbe.

  3. Dakazahn

    Bravo, brilliant thought

  4. Age

    the Shining phrase and is timely



Írj egy üzenetet