Abstract
I cambiamenti legati all’età nei mitocondri sono associati al declino della funzione mitocondriale. Con l’età avanzata, il volume, l’integrità e la funzionalità del DNA mitocondriale diminuiscono a causa dell’accumulo di mutazioni e danni ossidativi indotti da specie reattive dell’ossigeno (ROS). Nei soggetti anziani, i mitocondri sono caratterizzati da una funzione compromessa, come una ridotta capacità ossidativa, una ridotta fosforilazione ossidativa, una diminuita produzione di ATP, un aumento significativo della generazione di ROS e una diminuita difesa antiossidante. La biogenesi mitocondriale diminuisce con l’età a causa di alterazioni nella dinamica mitocondriale e dell’inibizione della mitofagia, un processo di autofagia che rimuove i mitocondri disfunzionali. Le anomalie dipendenti dall’età nel controllo di qualità mitocondriale indeboliscono ulteriormente e compromettono la funzione mitocondriale. Nei tessuti invecchiati, una maggiore apoptosi mediata dai mitocondri contribuisce ad aumentare la percentuale di cellule apoptotiche. Tuttavia, l’attuazione di strategie come la restrizione calorica e l’allenamento fisico regolare può ritardare l’invecchiamento mitocondriale e attenuare il fenotipo legato all’età negli esseri umani.
1. Introduzione
La disfunzione mitocondriale, compresa la diminuzione della capacità ossidativa e l’aumento del danno ossidativo, si pensa che contribuisca sostanzialmente all’invecchiamento biologico. Un impatto fondamentale dei mitocondri sull’invecchiamento è stato suggerito diversi decenni fa. Un concetto considera l’invecchiamento come il risultato di un accumulo di danni alle biomolecole dovuto all’eccessiva produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) altamente tossiche. Questo concetto è stato sviluppato come la teoria mitocondriale dell’invecchiamento, poiché i mitocondri sono i principali produttori di ROS nella cellula. Secondo questa teoria, con l’età, i mitocondri accumulano danni indotti dai ROS e diventano disfunzionali. Con il tempo, la funzione delle cellule diminuisce causando l’invecchiamento e la successiva morte. Questo concetto è stato supportato da un crescente corpo di dati sperimentali da modelli animali. Per esempio, i topi sviluppati per avere alti tassi di mutazione nel DNA mitocondriale (mtDNA) (i cosiddetti topi mutatori mtDNA) hanno mostrato fenotipi di invecchiamento avanzato. D’altra parte, molti studi recenti hanno anche fornito dati che contraddicono questa teoria. Per esempio, il knockout dei geni della superossido dismutasi non ha influenzato la durata della vita di Caenorhabditis elegans. In effetti, il ruolo dei mitocondri nell’invecchiamento sembra essere molto complesso.
I mitocondri sono organelli subcellulari autonomi responsabili principalmente della generazione di energia e della sintesi di ATP. Oltre a questo, i mitocondri svolgono un ruolo essenziale nel metabolismo degli aminoacidi e dei lipidi e nella regolazione dell’apoptosi. I mitocondri hanno il loro proprio DNA; tuttavia, esso codifica solo l’1% delle circa 1.000 proteine mitocondriali. La grande maggioranza delle proteine mitocondriali sono codificate dal DNA nucleare e sono trasportate ai mitocondri dal citoplasma. I mitocondri possono cambiare nel loro numero e nella loro massa a causa di processi dinamici come la fissione e la mitofagia. La mitofagia è una forma specifica di autofagia che è necessaria per degradare i mitocondri disfunzionali o danneggiati.
In questa rassegna, consideriamo brevemente i principali cambiamenti nella funzione e nella dinamica dei mitocondri che li rendono disfunzionali e contribuiscono all’invecchiamento.
2. Cambiamenti nel DNA mitocondriale nell’invecchiamento
La teoria mitocondriale dell’invecchiamento si basa sul fatto che il DNA mitocondriale (mtDNA) ha un tasso di mutazione più alto e un meccanismo di riparazione meno efficiente rispetto al DNA nucleare. Il tasso di mutazione del mtDNA è fino a 15 volte superiore a quello del DNA nucleare. Infatti, l’accumulo di mutazioni nel mtDNA può raggiungere una soglia critica e causare effetti negativi soprattutto nei mitocondri in cui i componenti della catena respiratoria che funzionano male o sono danneggiati devono essere sostituiti. Le mutazioni nel mtDNA che alterano l’espressione dei complessi di fosforilazione ossidativa (OxPhos) possono portare alla disfunzione mitocondriale e alla generazione accelerata di ROS. Lo sviluppo del topo mutatore del mtDNA, un animale con la polimerasi γ del mtDNA mutata, ha evidenziato il forte potenziale delle mutazioni del mtDNA nell’invecchiamento. Questi topi avevano un meccanismo difettoso nel loro proofreading mtDNA durante la replicazione e ha portato alla generazione di un gran numero di nuove mutazioni e lo sviluppo di fenotipi di invecchiamento precoce . Secondo il concetto di “circolo vizioso”, le mutazioni del mtDNA si accumulano in modo esponenziale e dovrebbero essere associate a un marcato aumento della produzione di ROS. Tuttavia, gli esperimenti che coinvolgono topi mutatori mtDNA hanno mostrato una progressione lineare nell’accumulo di mutazioni mtDNA nel corso della vita. Non ci sono stati cambiamenti significativi nella produzione di ROS e nell’attività degli enzimi antiossidanti nei topi mutatori mtDNA rispetto agli animali normali. Infatti, questi risultati compromettono seriamente la teoria del “circolo vizioso” che suggerisce che le mutazioni del mtDNA e la ridotta produzione di OxPhos ma non di ROS sono i principali responsabili dell’invecchiamento prematuro nei topi mutatori del mtDNA.
Inoltre, a causa della stretta vicinanza ai componenti della catena respiratoria che producono ROS e l’assenza di istoni, il mtDNA è altamente soggetto a danni ossidativi. Negli epatociti di ratto, la quantità di 8-hydroxydeoxyguanosine, un marker di danno ossidativo del DNA, era 16 volte più alta nel mtDNA che nel DNA nucleare. Nei muscoli scheletrici e nel fegato dei ratti, sono state osservate sostanziali riduzioni legate all’età nel numero di copie di mtDNA. Questi risultati suggeriscono che la quantità e l’integrità del mtDNA può diminuire con l’età e portare all’espressione aberrante delle proteine della catena di trasporto degli elettroni, compromettendo così il meccanismo di OxPhos.
3. Produzione di ROS mitocondriale e invecchiamento
La catena di trasporto degli elettroni situata nella membrana mitocondriale interna è costituita da quattro complessi proteici ed è accoppiata con ATP sintasi, un enzima produttore di ATP. I ROS sono considerati sottoprodotti indesiderati e tossici del sistema di trasporto degli elettroni mitocondriale.
A causa della loro estrema reattività, i ROS sembrano essere uno dei principali mediatori dei danni cellulari associati all’età. I ROS possono anche agire come molecole di segnalazione. È interessante notare che basse dosi di ROS potrebbero effettivamente promuovere la longevità mentre alte dosi, al contrario, accorciano la durata della vita di C. elegans. Un aumento paradossale della longevità è stato osservato in mutanti di respirazione mitocondriale di C. elegans a livelli elevati di ROS. I ROS hanno dimostrato di attivare il fattore 1 indotto dall’ipossia (HIF-1), un fattore di trascrizione associato a una maggiore durata della vita. Una lieve inibizione della respirazione mitocondriale ha dimostrato di prolungare la durata della vita in molte specie come C. elegans, Drosophila e topi, suggerendo che un aumento della longevità attraverso una moderata soppressione della respirazione mitocondriale è evolutivamente conservato.
Gli enzimi antiossidanti coinvolti nell’inattivazione dei ROS forniscono protezione contro lo stress ossidativo. Infatti, i difetti nell’attività degli enzimi antiossidanti mitocondriali possono aumentare lo stress ossidativo. I topi contenenti un transgene di un enzima antiossidante mitocondriale come la superossido dismutasi Mn-dipendente (Mn-SOD) o la catalasi hanno mostrato una maggiore longevità, mentre i topi privi di Mn-SOD sono morti prematuramente associati a una grave disfunzione mitocondriale e alla neurodegenerazione. I topi carenti di p66shc, una proteina coinvolta nella produzione mitocondriale di ROS indipendente dal meccanismo OxPhos, hanno mostrato una resistenza avanzata allo stress ossidativo e un aumento della durata della vita del 30%.
I cambiamenti enzimatici possono influenzare la capacità ossidativa mitocondriale e la sintesi di ATP. Negli esseri umani, la capacità di produrre ATP diminuisce dell’8% per decennio. Allo stesso modo, gli anziani sono stati trovati ad avere una riduzione di 1,5 volte nella capacità ossidativa per volume mitocondriale e una riduzione di 1,5 volte per volume muscolare. Il declino dipendente dall’età nella funzione mitocondriale può derivare da una bassa attività fisica perché quando l’attività fisica viene confrontata tra anziani e giovani, la maggior parte degli studi non è riuscita a trovare alcuna correlazione significativa tra età, respirazione mitocondriale e flusso ATP.
4. Cambiamenti dipendenti dall’età nella dinamica mitocondriale
La dinamica mitocondriale include il movimento dei mitocondri lungo il citoscheletro, la regolazione dell’architettura mitocondriale e la connettività mediata da eventi di fusione/fissione. Questa rete dinamica è essenziale per mantenere le normali funzioni mitocondriali e partecipa a processi fondamentali tra cui l’invecchiamento. La biogenesi mitocondriale è l’espansione dei mitocondri attraverso meccanismi che coinvolgono la crescita (aumento della massa mitocondriale) e la divisione (aumento del numero mitocondriale).
Con l’età avanzata, la densità mitocondriale nel muscolo scheletrico ha dimostrato di diminuire gradualmente e può suggerire una diminuzione della biogenesi mitocondriale. Il declino della biogenesi mitocondriale può derivare da una riduzione dipendente dall’età dei livelli di PGC-1α, un regolatore chiave della biogenesi. Nei topi invecchiati, la sovraespressione di PGC-1α nei muscoli scheletrici è stata associata a una ridotta sarcopenia e a un miglioramento della funzione mitocondriale.
L’alterato equilibrio tra eventi di fissione e fusione può anche essere collegato al declino dipendente dall’età della biogenesi mitocondriale. La fissione è importante per mantenere la qualità e l’integrità mitocondriale poiché è coinvolta nella selezione dei mitocondri disfunzionali. I mitocondri difettosi non riescono a funzionare correttamente e hanno una capacità ossidativa alterata, orientata verso una maggiore produzione di ROS. Questi mitocondri sono selettivamente rimossi dalla mitofagia, un sistema autofagia-lisosoma che degrada i mitocondri disfunzionali attraverso la fusione con i lisosomi. Con l’età, la mitofagia è stata osservata diminuire. Questo declino è associato a un accumulo di mitocondri danneggiati, stress ossidativo avanzato e apoptosi aumentata. Percorso apoptotico mitocondriale e invecchiamento
L’apoptosi mediata dai mitocondri è indotta in risposta a stimoli proapoptotici o in caso di grave fallimento di OxPhos. Brevemente, un meccanismo di apoptosi mitocondriale caspasi-dipendente è accompagnato dal rilascio di citocromo c e altri fattori dai mitocondri, che poi innesca l’attivazione di una cascata di eventi apoptotici irreversibili mediati dalle caspasi. Nel percorso indipendente dalla caspasi, il rilascio dell’endonucleasi G e del fattore di induzione dell’apoptosi (AIF) da parte dei mitocondri porta alla degradazione del DNA nucleare.
È stato dimostrato che l’apoptosi aumenta significativamente con l’età, come risulta da un aumento dipendente dall’età della percentuale di cellule apoptotiche e da un significativo aumento del percorso proapoptotico indipendente dalla caspasi nei ratti anziani e negli anziani. Poiché non sono stati osservati cambiamenti significativi nell’espressione delle caspasi nei soggetti anziani, è improbabile che il meccanismo caspasi-dipendente venga attivato con l’età avanzata.
6. Alterazioni genetiche e strutturali dei mitocondri nell’aterogenesi
L’aumento dell’età è ben noto come un fattore di rischio indipendente per lo sviluppo dell’aterosclerosi e, pertanto, secondo un punto di vista ben stabilito, l’aterosclerosi può essere considerata una malattia dell’invecchiamento. L’invecchiamento vascolare prematuro o accelerato e l’aterosclerosi possono essere associati alla disfunzione dei mitocondri.
È noto che nella patologia umana, una serie di malattie sono associate a mutazioni somatiche nel genoma mitocondriale (mtDNA). Anche se la disfunzione mitocondriale porta ad un aumento dello stress ossidativo, il ruolo delle mutazioni mitocondriali nell’aterosclerosi non ha ricevuto molta attenzione finora. In un recente studio abbiamo analizzato l’associazione della variazione genetica mitocondriale con la gravità dell’aterosclerosi carotidea (come valutato dallo spessore dell’intima media carotidea (cIMT) e la presenza di malattia coronarica (CHD)) e trovato che l’eteroplasia per diverse mutazioni nel mtDNA nei leucociti, comprese le mutazioni C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A e G15059A, erano significativamente associate sia alla gravità dell’aterosclerosi carotidea che alla presenza di CHD. L’analisi al microscopio elettronico delle lesioni aterosclerotiche ha anche rivelato un’elevata variabilità nell’aspetto ultrastrutturale dei mitocondri nelle lesioni aterosclerotiche aortiche umane rispetto all’aspetto dei mitocondri nelle parti normali dell’intima aortica (Figura 1) . Questo ci ha spinto a ipotizzare che le variazioni strutturali nell’aspetto dei mitocondri potrebbero riflettere l’esistenza di mutazioni somatiche nel genoma mitocondriale umano che potrebbe essere un determinante dello sviluppo di lesioni aterosclerotiche . Per testare questa ipotesi, abbiamo confrontato i livelli di eteroplasmia per diverse mutazioni mitocondriali precedentemente proposte per essere associate a diversi tipi di lesioni aterosclerotiche. Gli omogenati di intimazioni aortiche non affette e placche lipofibrose di aorta umana sono stati confrontati per rivelare il livello medio di eteroplasia per le mutazioni A1555G, C3256T, T3336T, G12315A, G14459A, e G15059A del genoma mitocondriale umano. È stato trovato che almeno quattro mutazioni del genoma mitocondriale, vale a dire, A1555G nel gene MT-RNR1, C3256T nel gene MT-TL1, G12315A nel gene MT-TL2, e G15059A nel gene MT-CYB, hanno una prevalenza significativamente più alta e un valore medio nelle placche lipofibrose rispetto all’intima nonatherosclerotica. I risultati che le mutazioni somatiche nel genoma mitocondriale sono associati con lo sviluppo di aterosclerosi dovrebbe incoraggiare ulteriori esplorazioni del concetto che l’eteroplasia del DNA mitocondriale potrebbe essere utilizzato come un biomarcatore di aterogenesi.
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Diversi aspetti ultrastrutturali dei mitocondri nell’intima aortica ((a)-(f)). (a) Un aspetto tipico di un mitocondrio in un’aorta grossolanamente normale. (b) Un mitocondrio con cristae ben definite e membrane circostanti ben conservate in una placca lipofibrosa. (c)-(f)) Varianti strutturali e alterazioni distruttive delle criste dei mitocondri nelle placche lipofibrose. In (c)-(f)), la formazione di strutture simili a vacuoli in zone di matrice edematosa dei mitocondri è mostrata dalle frecce. ((a)-(f)) Microscopia elettronica scale = 200 nm (ristampato da Atherosclerosis; Sobenin et al. Cambiamenti di mitocondri in aterosclerosi: possibile determinante nella patogenesi della malattia 2013; 227 : 283-288 , con il permesso di Elsevier).
7. Controllo di qualità mitocondriale e invecchiamento
Gli mitocondri hanno una serie di enzimi specifici come chaperoni, proteasi e metionina reduttasi per ripiegare ed eliminare le proteine mal ripiegate. Nel fungo Podospora anserina a vita breve, la delezione della proteasi mitocondriale PaLon1 coinvolta nel controllo della qualità delle proteine porta a una durata della vita significativamente ridotta mentre la sovraespressione di PaLon1 non ha influenzato la longevità del fungo ma è stata associata a una buona salute prolungata e a una migliore funzione mitocondriale. La proteasi mitocondriale Lon è responsabile della degradazione delle proteine ossidate e la sua downregulation è suggerita per contribuire all’invecchiamento e alle malattie legate all’età. Pertanto, la corretta funzione del sistema di controllo di qualità associato ai mitocondri può essere associata alla longevità o almeno estendere la durata della vita sana.
I mitocondri contribuiscono al sistema cellulare del controllo di qualità delle proteine associato all’ubiquitinazione e alla degradazione proteasi-dipendente delle proteine non spiegate degradando le proteine citosoliche situate nella membrana mitocondriale esterna. In generale, l’attività del sistema ubiquitina-proteasi ha dimostrato di diminuire con l’età nei mammiferi. Tuttavia, l’espressione di alcuni componenti di questo sistema, come le proteasi specifiche dell’ubiquitina e alcune subunità del proteasoma, è aumentata con l’invecchiamento, mentre i livelli di altri componenti rimangono invariati o diminuiscono. Nei muscoli dei ratti invecchiati, l’espressione delle proteine associate al proteasoma è stata aumentata e i livelli dei proteasomi 26S sono risultati più alti di 2 o 3 volte rispetto a quelli degli animali adulti. Infatti, l’attivazione dipendente dall’età del sistema ubiquitina-proteasi può contribuire a una maggiore degradazione delle proteine miofibrillari e all’atrofia muscolare legata all’età. Il ruolo specifico della degradazione delle proteine associate ai mitocondri nell’invecchiamento non è completamente compreso e deve essere caratterizzato.
8. Conclusione
È chiaro che un ruolo dei mitocondri nell’invecchiamento è più complicato di quanto suggerito dalla teoria mitocondriale dell’invecchiamento. Molteplici cambiamenti nella funzione, struttura, distribuzione e dinamica mitocondriale contribuiscono all’invecchiamento o alle caratteristiche legate all’età. Studi in organismi modello come il lievito, C. elegans, Drosophila e i topi hanno dimostrato che sia la soppressione che la stimolazione della funzione mitocondriale possono prolungare la durata della vita. Per esempio, è stato dimostrato che la downregolazione della segnalazione mTOR associata a una maggiore sintesi proteica e alla crescita cellulare aumenta la longevità negli organismi modello attraverso una migliore efficienza mitocondriale e un migliore consumo di energia. La figura 2 delinea la conseguenza dei meccanismi/fattori attraverso i quali la restrizione calorica può migliorare la funzione mitocondriale, ritardare l’invecchiamento mitocondriale ed espandere la longevità.
Meccanismi con cui la restrizione calorica può migliorare la funzione mitocondriale, ritardare l’invecchiamento mitocondriale, e spendere la longevità. La restrizione calorica (CR) innesca diversi percorsi che possono portare ad una maggiore longevità attraverso la stimolazione della funzione mitocondriale. Il primo meccanismo include l’induzione della sirtuina-1 (SIRT1), una proteina deacetilasi che a sua volta attiva il perossisoma proliferator-activated receptor-γ coactivator-α (PGC-1α). PGC-1α è un fattore di trascrizione coinvolto nell’attivazione di geni i cui prodotti sono coinvolti nella biogenesi e nella respirazione mitocondriale. CR inibisce anche la segnalazione del bersaglio mammifero della rapamicina (mTOR) associata a un aumento dell’attività del fattore di iniziazione della traduzione eucariotica 4E binding protein (4E-BP) che stimola la traduzione dei geni che codificano i componenti respiratori mitocondriali. In C. elegans, CR attiva il fattore nucleare 2-eritroide 2-related factor-2 (NRF2) che regola l’espressione di diversi geni antiossidanti e quindi può allungare la durata della vita di C. elegans attraverso la riduzione dello stress ossidativo e il miglioramento della respirazione mitocondriale.
Di conseguenza, la restrizione calorica (CR) che di solito comporta il consumo di 20-40% di calorie in meno rispetto al normale è stato suggerito come un intervento promettente per aumentare sia la durata della vita mediana e massima negli esseri umani. In uno studio CR CALERIE basato sul 25% di CR, i pazienti CR hanno dimostrato di avere meno danni al mtDNA, più contenuto di mtDNA e una maggiore espressione di alcuni enzimi antiossidanti, suggerendo quindi che CR migliora la funzione mitocondriale e ritarda l’invecchiamento mitocondriale attraverso la riduzione dello stress ossidativo. L’aumento dell’espressione di diverse proteine coinvolte nella biogenesi mitocondriale come PGC-1α, Tfam, e SIRT1 è stato riportato nei pazienti CR rispetto ai controlli. In sintesi, la CR riduce lo stress ossidativo e migliora la biogenesi mitocondriale al fine di produrre mitocondri che sono più efficienti nella produzione di ATP, hanno una capacità ossidativa ottimale e generano meno ROS.
L’allenamento da solo o in combinazione con la CR può anche rappresentare una strategia efficace per ritardare l’invecchiamento mitocondriale e la disfunzione legata all’età negli esseri umani attraverso meccanismi che stimolano la biogenesi mitocondriale e la capacità ossidativa e migliorano il controllo della qualità delle proteine. C’è una forte evidenza che l’esercizio fisico può ottimizzare la funzione mitocondriale negli individui anziani. L’esercizio fisico, combinato con una dieta a basso contenuto di carboidrati (glicogeno), ha dimostrato di aumentare l’espressione di PGC-1α e ottimizzare la capacità ossidativa del muscolo scheletrico umano. Nello studio CALERIE, la combinazione di CR con l’allenamento fisico ha portato a una riduzione del 38% del rischio stimato di malattie cardiovascolari, un’importante patologia associata all’età, rispetto ai controlli. Infatti, una maggiore attività fisica o anche semplicemente l’adozione di abitudini di stile attivo può chiaramente ridurre il tasso di declino mitocondriale e attenuare il fenotipo legato all’età.
Conflitto di interessi
Gli autori non segnalano alcun conflitto di interessi riguardo alla pubblicazione di questo articolo.
Riconoscimenti
Gli autori desiderano ringraziare il Ministero dell’Educazione e della Scienza della Federazione Russa e la Scuola di Scienze Mediche dell’Università del Nuovo Galles del Sud, Sydney, per il supporto al loro lavoro.