Abstract
A mitokondriumok életkorral összefüggő változásai a mitokondriumok funkciójának csökkenésével járnak. Az előrehaladott korral a mitokondriális DNS mennyisége, integritása és funkcionalitása csökken a mutációk felhalmozódása és a reaktív oxigénfajok (ROS) által indukált oxidatív károsodás miatt. Az idősödő személyeknél a mitokondriumokat károsodott működés jellemzi, mint például csökkent oxidatív kapacitás, csökkent oxidatív foszforiláció, csökkent ATP-termelés, a ROS-termelés jelentős növekedése és csökkent antioxidáns védelem. A mitokondriális biogenezis az életkor előrehaladtával csökken a mitokondriumok dinamikájának megváltozása és a mitofágia, a diszfunkcionális mitokondriumokat eltávolító autofágia folyamatának gátlása miatt. A mitokondriális minőségellenőrzés életkorfüggő rendellenességei tovább gyengítik és károsítják a mitokondriumok működését. Az öregedő szövetekben a fokozott mitokondriumok által közvetített apoptózis hozzájárul az apoptotikus sejtek százalékos arányának növekedéséhez. Az olyan stratégiák, mint a kalóriakorlátozás és a rendszeres testmozgás alkalmazása azonban késleltetheti a mitokondriumok öregedését és mérsékelheti az öregedéssel összefüggő fenotípust az emberben.
1. Bevezetés
A mitokondriális diszfunkció, beleértve a csökkent oxidatív kapacitást és a fokozott oxidatív károsodást, feltételezhetően jelentősen hozzájárul a biológiai öregedéshez. A mitokondriumoknak az öregedésre gyakorolt alapvető hatását már évtizedekkel ezelőtt felvetették. Az egyik elképzelés szerint az öregedés a biomolekulák károsodásának felhalmozódása, amely az erősen toxikus reaktív oxigénfajok (ROS) túlzott termelődése miatt következik be. Ezt az elképzelést az öregedés mitokondriális elmélete néven fejlesztették ki, mivel a mitokondriumok a sejtben a ROS fő termelői . Ezen elmélet szerint az életkor előrehaladtával a mitokondriumokban felhalmozódnak a ROS által okozott károsodások és diszfunkcionálissá válnak. Idővel a sejtek működése csökken, ami öregedést és későbbi halált okoz. Ezt az elképzelést egyre több, állatmodellekből származó kísérleti adat támasztotta alá. Például a mitokondriális DNS (mtDNS) magas mutációs arányára kifejlesztett egerek (ún. mtDNS mutátor egerek) előrehaladott öregedési fenotípust mutattak . Másrészt számos, a közelmúltban végzett vizsgálat is szolgáltatott olyan adatokat, amelyek ellentmondanak ennek az elméletnek. Például a szuperoxid-dizmutáz gének kiütése nem befolyásolta a Caenorhabditis elegans élettartamát . Valójában a mitokondriumok öregedésben betöltött szerepe nagyon összetettnek tűnik.
A mitokondriumok szubcelluláris önműködő organellumok, amelyek elsősorban az energiatermelésért és az ATP-szintézisért felelősek. Emellett a mitokondriumok alapvető szerepet játszanak az aminosav- és lipidanyagcserében és az apoptózis szabályozásában. A mitokondriumoknak saját DNS-ük van; ez azonban a mintegy 1000 mitokondriális fehérjének csak 1%-át kódolja. A mitokondriális fehérjék túlnyomó többségét a nukleáris DNS kódolja, és a citoplazmából szállítják a mitokondriumokba. A mitokondriumok száma és tömege változhat az olyan dinamikus folyamatok miatt, mint a hasadás és a mitofágia. A mitofágia az autofágia egy speciális formája, amely a diszfunkcionális vagy sérült mitokondriumok lebontásához szükséges .
Ebben az áttekintésben röviden megvizsgáljuk a mitokondriumok működésében és dinamikájában bekövetkező főbb változásokat, amelyek diszfunkcionálissá teszik őket és hozzájárulnak az öregedéshez.
2. A mitokondriális DNS változásai az öregedésben
A mitokondriális öregedés elmélete azon alapul, hogy a mitokondriális DNS (mtDNS) a nukleáris DNS-hez képest magasabb mutációs rátával és kevésbé hatékony javító gépezettel rendelkezik. Az mtDNS mutációs rátája akár 15-ször nagyobb, mint a nukleáris DNS-é . A mutációk felhalmozódása az mtDNS-ben elérheti a kritikus küszöbértéket, és káros hatásokat okozhat, különösen a mitokondriumokban, ahol a légzési lánc nem megfelelően működő vagy sérült komponenseit ki kell cserélni. Az mtDNS-ben lévő mutációk, amelyek megváltoztatják az oxidatív foszforilációs (OxPhos) komplexek expresszióját, mitokondriális diszfunkcióhoz és felgyorsult ROS-termeléshez vezethetnek . Az mtDNS mutátor egér, egy mutáns mtDNS polimeráz γ-vel rendelkező állat kifejlesztése rávilágított az mtDNS mutációk öregedésben rejlő erős potenciáljára. Ezeknek az egereknek a replikáció során hibás mechanizmusa volt az mtDNS korrektúraolvasásában, ami nagyszámú új mutáció létrejöttét és korai öregedési fenotípusok kialakulását eredményezte . Az “ördögi ciklus” koncepciója szerint az mtDNS-mutációk exponenciálisan halmozódnak fel, és a ROS-termelés jelentős robbanásával kell járniuk . Az mtDNS mutátor egerekkel végzett kísérletek azonban az mtDNS mutációk felhalmozódásának lineáris progresszióját mutatták az élettartam során. Az mtDNS mutátor egerekben nem volt jelentős változás a ROS-termelésben és az antioxidáns enzimek aktivitásában a normális állatokhoz képest . Ezek az eredmények valóban komolyan veszélyeztetik az “ördögi kör” elméletét, amely szerint az mtDNS mutációk és a károsodott OxPhos, nem pedig a ROS-termelés felelős elsősorban az mtDNS mutátor egerek idő előtti öregedéséért.
Az mtDNS ráadásul a légzési lánc ROS-termelő komponenseihez való közelsége és a hisztonok hiánya miatt rendkívül hajlamos az oxidatív károsodásra. Patkány hepatocitákban a 8-hidroxi-deoxi-guanozin mennyisége, a DNS oxidatív károsodásának markere, 16-szor nagyobb volt az mtDNS-ben, mint a nukleáris DNS-ben . A patkányok vázizomzatában és májában az mtDNS kópiaszámának jelentős, korral összefüggő csökkenését figyelték meg . Ezek az eredmények arra utalnak, hogy az mtDNS mennyisége és integritása az életkor előrehaladtával csökkenhet, és az elektrontranszportlánc fehérjéinek aberrált expressziójához vezethet, ezáltal károsítva az OxPhos mechanizmusát .
3. Mitokondriális ROS-termelés és öregedés
A belső mitokondriális membránban található elektrontranszportlánc négy fehérjekomplexből áll, és az ATP-szintázzal, egy ATP-termelő enzimmel van összekapcsolva. A ROS-okat a mitokondriális elektrontranszport rendszer nemkívánatos és toxikus melléktermékének tekintik.
A ROS-ok szélsőséges reakcióképességük miatt úgy tűnik, hogy az öregedéssel összefüggő sejtkárosodás egyik fő közvetítője. A ROS-ok jelzőmolekulaként is működhetnek . Érdekes módon a ROS alacsony dózisai valóban elősegíthetik a hosszú élettartamot, míg a magas dózisok ezzel szemben lerövidítik a C. elegans élettartamát . A C. elegans mitokondriális légzési mutánsaiban a hosszú élettartam paradox növekedését figyelték meg emelkedett ROS-szintek mellett. Kimutatták, hogy a ROS aktiválja a hypoxia-indukált 1-es faktort (HIF-1), egy olyan transzkripciós faktort, amely a meghosszabbodott élettartammal van összefüggésben . A mitokondriális légzés enyhe gátlása számos fajban, például a C. elegansban, a Drosophilában és az egerekben meghosszabbította az élettartamot, ami arra utal, hogy a mitokondriális légzés mérsékelt szuppressziója révén a hosszú élettartam növekedése evolúciósan megmaradt.
A ROS inaktiválásában részt vevő antioxidáns enzimek védelmet nyújtanak az oxidatív stresszel szemben. Valójában a mitokondriális antioxidáns enzimek aktivitásának hibái növelhetik az oxidatív stresszt. A mitokondriális antioxidáns enzim, például a Mn-függő szuperoxid-dizmutáz (Mn-SOD) vagy kataláz transzgént tartalmazó egerek megnövekedett élettartamot mutattak, míg a Mn-SOD-t nélkülöző egerek súlyos mitokondriális diszfunkcióval és neurodegenerációval járó korai elhalálozásban haltak el . A mitokondriális ROS-termelésben részt vevő, az OxPhos mechanizmustól független p66shc fehérje hiányos egerek az oxidatív stresszel szembeni fejlett rezisztenciát és 30%-kal hosszabb élettartamot mutattak .
Az enzimatikus változások befolyásolhatják a mitokondriális oxidatív kapacitást és az ATP-szintézist. Az emberekben az ATP-termelő kapacitás évtizedenként 8%-kal csökken . Hasonlóképpen, az időseknél az oxidatív kapacitás mitokondriális térfogatra vetítve 1,5-szeres és izomtérfogatra vetítve 1,5-szeres csökkenést mutattak ki . A mitokondriális funkció életkorfüggő csökkenése az alacsony fizikai aktivitás következménye lehet, mert amikor a fizikai aktivitást idős és fiatal emberek között hasonlították össze, a legtöbb vizsgálat nem talált szignifikáns összefüggést az életkor, a mitokondriális légzés és az ATP-áramlás között .
4. Az életkortól függő változások a mitokondriumok dinamikájában
A mitokondriumok dinamikája magában foglalja a mitokondriumok mozgását a citoszkeleton mentén, a mitokondriumok architektúrájának szabályozását és a fúziós/hasadási események által közvetített összekapcsolódást . Ez a dinamikus hálózat elengedhetetlen a normál mitokondriális funkciók fenntartásához, és részt vesz az alapvető folyamatokban, beleértve az öregedést is. A mitokondriális biogenezis a mitokondriumok bővülése a növekedést (a mitokondriumok tömegének növekedése) és osztódást (a mitokondriumok számának növekedése) magában foglaló mechanizmusok révén.
A vázizomzatban a mitokondriumok sűrűsége az előrehaladott korral fokozatosan csökken, ami a mitokondriális biogenezis csökkenésére utalhat. A mitokondriális biogenezis csökkenése a biogenezis kulcsfontosságú szabályozójának, a PGC-1α szintjének életkorfüggő csökkenéséből eredhet . Idős egerekben a PGC-1α overexpressziója a vázizmokban a szarkopénia csökkenésével és a mitokondriális funkció javulásával járt .
A mitokondriális biogenezis életkorfüggő csökkenésével összefügghet a hasadási és fúziós események közötti károsodott egyensúly is. A hasadás fontos a mitokondriumok minőségének és integritásának fenntartásában, mivel részt vesz a diszfunkcionális mitokondriumok kiválasztásában. A hibás mitokondriumok nem működnek megfelelően, és károsodott oxidatív kapacitásuk a fokozott ROS-termelés irányába mutat. Ezeket a mitokondriumokat szelektíven eltávolítja a mitofágia, egy autofágia-lizoszóma rendszer, amely a diszfunkcionális mitokondriumokat a lizoszómákkal való fúzió révén lebontja. Az életkor előrehaladtával a mitofágia csökkenését figyelték meg . Ez a csökkenés a sérült mitokondriumok felhalmozódásával, előrehaladott oxidatív stresszel és fokozott apoptózissal jár együtt .
5. Mitokondriális apoptotikus útvonal és az öregedés
A mitokondriumok által közvetített apoptózis proapoptotikus ingerekre vagy az OxPhos súlyos kudarca esetén indukálódik. Röviden, a mitokondriális apoptózis kaszpáz-függő mechanizmusa a citokróm c és más faktorok felszabadulásával jár együtt a mitokondriumokból, ami aztán a kaszpázok által közvetített irreverzibilis apoptotikus események kaszkádjának aktiválódását váltja ki. A kaszpáz-független útvonalban az endonukleáz G és az apoptózist indukáló faktor (AIF) mitokondriumok általi felszabadulása a nukleáris DNS degradációjához vezet .
Az apoptózis az életkorral jelentősen fokozódik, amit az apoptotikus sejtek százalékos arányának életkorfüggő növekedése és a kaszpáz-független proapoptotikus útvonal jelentős felszabályozása tükröz öreg patkányokban és idős emberekben . Mivel az időseknél nem figyeltek meg jelentős változásokat a kaszpázok expressziójában , a kaszpáz-függő mechanizmus valószínűleg nem aktiválódik az előrehaladott korral.
6. A mitokondriumok genetikai és strukturális változásai az aterogenezisben
A növekvő életkor közismerten az ateroszklerózis kialakulásának független kockázati tényezője , és ezért egy jól ismert álláspont szerint az ateroszklerózis az öregedés betegségének tekinthető . A korai vagy felgyorsult érrendszeri öregedés és az ateroszklerózis összefüggésbe hozható a mitokondriumok diszfunkciójával .
A humán patológiában jól ismert, hogy számos betegség a mitokondriális genom (mtDNS) szomatikus mutációival hozható összefüggésbe . Bár a mitokondriális diszfunkció fokozott oxidatív stresszhez vezet, a mitokondriális mutációk szerepe az ateroszklerózisban eddig nem kapott nagy figyelmet . Egy nemrégiben végzett vizsgálatban elemeztük a mitokondriális genetikai variáció és a karotisz-atheroszklerózis súlyosságának (a karotisz intima-media vastagságával (cIMT) és a koszorúér-betegség (CHD) jelenlétével értékelt) kapcsolatát, és azt találtuk, hogy a leukocitákban az mtDNS több mutációjának heteroplazmája , beleértve a C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A és G15059A mutációkat, szignifikánsan összefüggött mind a carotis ateroszklerózis súlyosságával, mind a CHD jelenlétével . Az ateroszklerotikus elváltozások elektronmikroszkópos elemzése a mitokondriumok ultrastrukturális megjelenésének nagyfokú változatosságát mutatta ki az emberi aorta ateroszklerotikus elváltozásaiban, összehasonlítva a mitokondriumok megjelenésével az aorta intima normális részeiben (1. ábra) . Ez arra késztetett bennünket, hogy feltételezzük, hogy a mitokondriumok megjelenésének strukturális eltérései tükrözhetik a szomatikus mutációk meglétét az emberi mitokondriális genomban, ami meghatározó lehet az ateroszklerotikus elváltozások kialakulásában . E hipotézis tesztelése érdekében összehasonlítottuk a heteroplazma szintjét több, korábban az ateroszklerotikus elváltozások különböző típusaihoz társítani javasolt mitokondriális mutáció esetében . Emberi aorták érintetlen aorta intimae és lipofibrózus plakkjainak homogenátumait hasonlítottuk össze, hogy feltárjuk a heteroplazma átlagos szintjét a humán mitokondriális genom A1555G, C3256T, T3336T, G12315A, G14459A és G15059A mutációira . Megállapították, hogy a mitokondriális genom legalább négy mutációja, nevezetesen az A1555G az MT-RNR1 génben, a C3256T az MT-TL1 génben, a G12315A az MT-TL2 génben és a G15059A az MT-CYB génben szignifikánsan nagyobb gyakorisággal és átlagértékkel fordul elő a lipofibrózus plakkokban, mint a nem ateroszklerotikus intimában . Az a megállapítás, hogy a mitokondriális genom szomatikus mutációi összefüggésbe hozhatók az ateroszklerózis kialakulásával, ösztönözheti annak a koncepciónak a további vizsgálatát, hogy a mitokondriális DNS heteroplazmia az aterogenezis biomarkereként használható.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
A mitokondriumok eltérő ultrastrukturális megjelenése az aorta intimában ((a)-(f)). (a) A mitokondrium tipikus megjelenése egy durván normális aortában. (b) Egy mitokondrium jól definiált cristákkal és jól megőrzött környező membránokkal egy lipofibrózus plakkban. ((c)-(f)) A mitokondriumok cristáinak szerkezeti változatai és destruktív elváltozásai lipofibrózus plakkokban. A ((c)-(f)) ábrákon a mitokondriumok ödémás mátrixának zónáiban vakuólaszerű struktúrák kialakulását mutatják a nyilak. ((a)-(f)) Elektronmikroszkópos méretarányok = 200 nm (újranyomás az Atherosclerosis; Sobenin et al. Changes of mitochondria in atherosclerosis: possible determinant in the pathogenesis of the disease 2013; 227 : 283-288 , az Elsevier engedélyével).
7. Mitokondriális minőség-ellenőrzés és öregedés
A mitokondriumok számos specifikus enzimmel rendelkeznek, mint például a chaperonok, proteázok és metionin reduktázok, hogy újraformázzák és megszüntessék a félreformált fehérjéket. A Podospora anserina rövid életű gombában a fehérjék minőségszabályozásában részt vevő PaLon1 mitokondriális proteáz deléciója jelentősen rövidített élettartamhoz vezet, míg a PaLon1 túlexpressziója nem befolyásolta a gomba élettartamát, de hosszan tartó jó egészséggel és jobb mitokondriális funkcióval járt . A mitokondriális proteáz Lon felelős az oxidált fehérjék lebontásáért, és annak downregulációja feltételezhetően hozzájárul az öregedéshez és az életkorral összefüggő betegségekhez . Így a mitokondriumokhoz kapcsolódó minőségellenőrzési rendszer megfelelő működése összefüggésbe hozható a hosszú élettartammal, vagy legalábbis meghosszabbíthatja az egészséges élettartamot.
A mitokondriumok a külső mitokondriális membránon található citoszolikus fehérjék lebontásával hozzájárulnak a fehérjék ubikvitinációjával és a nem kibontott fehérjék proteázfüggő lebontásával kapcsolatos fehérje minőségellenőrzés sejtes rendszeréhez . Általánosságban kimutatták, hogy az ubikvitin-tease rendszer aktivitása emlősökben az életkor előrehaladtával csökken . Ugyanakkor e rendszer néhány komponensének, például az ubikvitin-specifikus proteázoknak és bizonyos proteaszóma alegységeknek az expressziója az öregedéssel felfelé szabályozódik, míg más komponensek szintje változatlan marad vagy csökken. Az idős patkányok izmaiban a proteaszómához kapcsolódó fehérjék expressziója megnövekedett, és a 26S proteaszómák szintje 2-3-szor magasabbnak bizonyult a felnőtt állatokéhoz képest. Valójában az ubikvitin-proteáz rendszer életkorfüggő aktivációja hozzájárulhat a myofibrilláris fehérjék fokozott lebontásához és az életkorral összefüggő izomsorvadáshoz. A mitokondrium-asszociált fehérjék degradációjának konkrét szerepe az öregedésben nem teljesen tisztázott, és még jellemzésre szorul.
8. Következtetés
Egyértelmű, hogy a mitokondriumoknak az öregedésben betöltött szerepe bonyolultabb, mint azt az öregedés mitokondriális elmélete sugallja. A mitokondriumok működésében, szerkezetében, eloszlásában és dinamikájában bekövetkező többszörös változások hozzájárulnak az öregedéshez vagy az öregedéssel összefüggő jellemzőkhöz. Az olyan modellorganizmusokon, mint az élesztő, a C. elegans, a Drosophila és az egerek, végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a mitokondriumok működésének elnyomása és stimulálása egyaránt meghosszabbíthatja az élettartamot. Például kimutatták, hogy a fokozott fehérjeszintézissel és sejtnövekedéssel járó mTOR jelátvitel lefelé szabályozása a mitokondriumok jobb hatékonysága és jobb energiafelhasználása révén növeli a hosszú élettartamot modellorganizmusokban . A 2. ábra felvázolja azoknak a mechanizmusoknak/tényezőknek a következményét, amelyek révén a kalóriakorlátozás javíthatja a mitokondriális funkciót, késleltetheti a mitokondriális öregedést és növelheti a hosszú élettartamot.
Mechanizmusok, amelyek révén a kalóriakorlátozás javíthatja a mitokondriumok működését, késleltetheti a mitokondriumok öregedését és kiterjesztheti a hosszú élettartamot. A kalóriakorlátozás (CR) számos olyan útvonalat indít be, amely a mitokondriális funkció serkentésén keresztül a hosszú élettartam növekedéséhez vezethet. Az első mechanizmus a szirtuin-1 (SIRT1), egy fehérje-deacetiláz indukcióját foglalja magában, amely viszont aktiválja a peroxiszóma proliferátor-aktivált receptor-γ koaktivátor-α-t (PGC-1α). A PGC-1α egy olyan transzkripciós faktor, amely részt vesz olyan gének aktiválásában, amelyek termékei részt vesznek a mitokondriális biogenezisben és légzésben. A CR gátolja a rapamycin emlős célpontja (mTOR) jelátvitelt is, amely az eukarióta transzláció iniciációs faktor 4E kötőfehérje (4E-BP) aktivitásának növekedésével jár, amely serkenti a mitokondriális légzési komponenseket kódoló gének transzlációját. A C. elegansban a CR aktiválja a nukleáris faktor-erythroid 2-rel kapcsolatos faktor-2-t (NRF2), amely számos antioxidáns gén expresszióját szabályozza, és ezért az oxidatív stressz csökkentése és a mitokondriális légzés javítása révén meghosszabbíthatja a C. elegans élettartamát.
Ennek következtében a kalóriakorlátozást (CR), amely általában a szokásosnál 20-40%-kal kevesebb kalória elfogyasztását jelenti, ígéretes beavatkozásnak javasolták az embereknél a medián és a maximális élettartam növelésére . A 25%-os CR-en alapuló CALERIE CR vizsgálatban a CR betegeknél kevesebb mtDNS károsodást, több mtDNS tartalmat és egyes antioxidáns enzimek fokozott expresszióját mutatták ki, ami arra utal, hogy a CR javítja a mitokondriális funkciót és késlelteti a mitokondriális öregedést az oxidatív stressz csökkentése révén. A mitokondriális biogenezisben részt vevő számos fehérje, például a PGC-1α, a Tfam és a SIRT1 expressziójának növekedéséről számoltak be a CR betegeknél a kontrollokhoz képest . Összefoglalva, a CR csökkenti az oxidatív stresszt és fokozza a mitokondriális biogenezist annak érdekében, hogy olyan mitokondriumok jöjjenek létre, amelyek hatékonyabbak az ATP-termelésben, optimális oxidatív kapacitással rendelkeznek és kevesebb ROS-t termelnek.
Az edzés önmagában vagy a CR-rel kombinálva szintén hatékony stratégiát jelenthet a mitokondriális öregedés és az életkorral kapcsolatos diszfunkció késleltetésére emberekben a mitokondriális biogenezist és oxidatív kapacitást serkentő mechanizmusok és a fehérje minőségellenőrzés javítása révén . Erős bizonyíték van arra, hogy a testmozgás-edzés optimalizálhatja a mitokondriális funkciót idős egyéneknél . Kimutatták, hogy az alacsony szénhidráttartalmú (glikogén) étrenddel kombinált testmozgás növeli a PGC-1α expresszióját és optimalizálja az emberi vázizomzat oxidatív kapacitását . A CALERIE vizsgálatban a CR és a testedzés kombinációja a kontrollcsoporthoz képest 38%-kal csökkentette a szív- és érrendszeri betegségek – egy fontos, az életkorral összefüggő kórkép – becsült kockázatát . Valóban, a fokozott fizikai aktivitás vagy akár csak az aktív stílus szokásainak elfogadása egyértelműen csökkentheti a mitokondriális hanyatlás ütemét és mérsékelheti az életkorral összefüggő fenotípust.
Érdekütközések összeférhetetlensége
A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget a cikk publikálásával kapcsolatban.
Köszönet
A szerzők köszönetet mondanak az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériumának és a University of New South Wales, Sydney, School of Medical Sciences-nek a munkájuk támogatásáért.