Abstract
ミトコンドリアの加齢による変化は、ミトコンドリア機能の低下と関連していると言われている． 加齢に伴い、突然変異の蓄積や活性酸素種（ROS）による酸化損傷により、ミトコンドリアDNAの量、完全性、機能性が低下する。 高齢者では、ミトコンドリアは、酸化力の低下、酸化的リン酸化の減少、ATP産生の減少、活性酸素発生の著しい増加、抗酸化防御力の低下などの機能低下が特徴的である。 ミトコンドリア生合成は、ミトコンドリア動態の変化や、機能不全に陥ったミトコンドリアを除去するオートファジーであるマイトファジーの阻害により、加齢とともに低下する。 加齢に伴うミトコンドリアの品質管理異常は、ミトコンドリア機能をさらに弱め、障害をもたらす。 老化した組織では、ミトコンドリアを介したアポトーシスの亢進が、アポトーシス細胞の割合の増加に寄与している。 しかし、カロリー制限や定期的な身体トレーニングなどの戦略を実施することで、ミトコンドリアの老化を遅らせ、ヒトの加齢関連表現型を減衰させることができるかもしれない
1. はじめに
酸化能力の低下や酸化損傷の増加などのミトコンドリア機能不全は、生物学的老化に大きく寄与していると考えられている。 ミトコンドリアが老化に与える基本的な影響は、数十年前に示唆されている。 その一つは、老化は毒性の強い活性酸素種（ROS）の過剰産生による生体分子へのダメージの蓄積の結果であると考える概念である。 この考え方は、ミトコンドリアが細胞内の活性酸素の主要な生産者であることから、ミトコンドリア老化説として展開された。 この理論によると、加齢に伴い、ミトコンドリアは活性酸素による障害を蓄積し、機能不全に陥るという。 その結果、細胞の機能が低下し、老化と死が進行すると考えられています。 この考え方は、動物モデルによる実験データの積み重ねによって裏付けられました。 例えば、ミトコンドリアDNA（mtDNA）に高い変異率を持つマウス（いわゆるmtDNAミューテーターマウス）は、老化の表現型が進んでいることがわかった。 一方、最近の研究では、この説を否定するデータも多く得られている。 例えば、スーパーオキシドジスムターゼ遺伝子のノックアウトは、線虫の寿命に影響を与えなかった 。 実際、老化におけるミトコンドリアの役割は非常に複雑であるようだ。
ミトコンドリアは細胞内の自己自律的な小器官で、主にエネルギーの生成とATP合成を担っている。 このほか、ミトコンドリアはアミノ酸や脂質の代謝、アポトーシスの制御にも不可欠な役割を担っている。 ミトコンドリアは独自のDNAを持っているが、約1,000種類あるミトコンドリアタンパク質のうち1%しかコードしていない。 ミトコンドリアタンパク質の大部分は核DNAによってコードされており、細胞質からミトコンドリアへ輸送される。 ミトコンドリアは、分裂やマイトファジーなどのダイナミックなプロセスにより、その数や質量が変化することがある。 ミトファジーは、機能不全または損傷したミトコンドリアを分解するために必要なオートファジーの特定の形態である。
このレビューでは、ミトコンドリアの機能不全と老化に寄与する機能およびダイナミックスの大きな変化について簡単に考察している。
2.老化におけるミトコンドリアDNAの変化
老化のミトコンドリア理論は、ミトコンドリアDNA（mtDNA）が核DNAと比較して変異率が高く、修復機構の効率が低いという事実に基づいている。 ミトコンドリアDNAの突然変異率は、核DNAの15倍にもなる。 実際、mtDNAの変異の蓄積は臨界点に達し、特に呼吸鎖の不適切な機能や損傷を受けた構成要素を置き換える必要があるミトコンドリアにおいて悪影響を及ぼす可能性がある。 酸化的リン酸化（OxPhos）複合体の発現を変化させる mtDNA の変異は、ミトコンドリア機能障害と活性酸素の発生を促進する可能性がある 。 mtDNAポリメラーゼγに変異を持つ動物、mtDNAミューテーターマウスの開発は、老化におけるmtDNAの変異の強い可能性を浮き彫りにした。 これらのマウスは、mtDNAの複製時の校正機構に欠陥があり、その結果、多数の新しい突然変異が発生し、早老の表現型が発現した。 悪循環」の概念によれば、mtDNAの突然変異は指数関数的に蓄積され、活性酸素の産生が著しく増加するはずである。 しかし、mtDNA変異マウスを用いた実験では、mtDNA変異の蓄積は寿命を通じて直線的に進行することが示されている。 また、mtDNAミューテーターマウスでは、活性酸素の産生や抗酸化酵素の活性に、正常な動物と比較して大きな変化は見られなかった。 実際、これらの知見は、mtDNAミューテーターマウスにおける早期老化の主な原因は、活性酸素の産生ではなく、mtDNA変異と酸化酵素の障害であるとする「悪循環」理論を著しく損なうものであった。 ラット肝細胞では、DNA酸化損傷のマーカーである8-ヒドロキシデオキシグアノシンの量は、核DNAよりもmtDNAの方が16倍高かった 。 ラットの骨格筋と肝臓では、加齢に伴うmtDNAのコピー数の大幅な減少が観察された。 これらの知見は、mtDNAの量と完全性が加齢とともに低下し、電子輸送系タンパク質の異常な発現を引き起こし、それによってOxPhosのメカニズムが損なわれる可能性を示唆している。 ミトコンドリアの活性酸素生成と加齢
ミトコンドリア内膜にある電子輸送鎖は、4つのタンパク質複合体からなり、ATP生成酵素であるATPシンターゼと連関している。 活性酸素は、ミトコンドリア電子輸送系の不要かつ有害な副産物と考えられている。
その非常に高い反応性から、活性酸素は加齢に伴う細胞障害の主要なメディエーターであると思われる。 活性酸素はまた、シグナル伝達分子として作用することができる。 興味深いことに、低用量の活性酸素は実際に長寿を促進し、逆に高用量の活性酸素は線虫の寿命を縮めることがわかりました。 線虫のミトコンドリア呼吸変異体では、活性酸素のレベルが高くなると、逆説的に寿命が延びることが観察された。 活性酸素は、寿命延長に関連する転写因子である低酸素誘導因子-1 (HIF-1) を活性化することが示された。 ミトコンドリア呼吸の軽度な抑制は、線虫、ショウジョウバエ、マウスなど多くの種で寿命を延ばすことが示され、ミトコンドリア呼吸の適度な抑制による寿命の延長は、進化的に保存されていることが示唆された
活性化に関わる抗酸化酵素は酸化ストレスからの保護をもたらす。 実際、ミトコンドリアの抗酸化酵素の活性に欠陥があると、酸化ストレスが増加する可能性がある。 Mn依存性スーパーオキシドディスムターゼ（Mn-SOD）やカタラーゼなどのミトコンドリア抗酸化酵素を導入したマウスは長寿を示し、Mn-SOD欠損マウスは重度のミトコンドリア機能障害と神経変性を伴う早死を示した …。 また、OxPhos機構とは別にミトコンドリアの活性酸素生成に関与するタンパク質であるp66shcを欠損したマウスでは、酸化ストレスに対する抵抗性が進み、寿命が30%延長した。
酵素の変化はミトコンドリアの酸化能やATP合成に影響すると考えられている。 ヒトでは、ATP産生能は10年ごとに8％減少する 。 同様に、高齢者はミトコンドリア体積あたり1.5倍、筋肉体積あたり1.5倍、酸化能力が低下していることがわかった . 高齢者と若者の身体活動を比較した場合、ほとんどの研究で年齢とミトコンドリア呼吸、ATPフラックスとの間に有意な相関を見出すことができなかったことから、加齢によるミトコンドリア機能の低下は身体活動の低下に起因している可能性がある …
4.ミトコンドリアダイナミクスの年齢依存的変化
ミトコンドリアのダイナミクスには、細胞骨格に沿ったミトコンドリアの移動、ミトコンドリア構造の調節、融合/分裂イベントによって媒介される結合が含まれる。 このダイナミックなネットワークは、ミトコンドリアの正常な機能を維持するために不可欠であり、老化を含む基本的なプロセスに関与している。 ミトコンドリア生合成とは、成長（ミトコンドリア質量の増加）と分裂（ミトコンドリア数の増加）を含むメカニズムによるミトコンドリアの拡大である。
加齢とともに骨格筋のミトコンドリア密度が徐々に減少することが示され、ミトコンドリア生合成の減少を示唆していると思われた。 ミトコンドリア生合成の減少は、生合成の重要な制御因子であるPGC-1αのレベルが年齢依存的に減少することに起因すると考えられる。 加齢マウスにおいて、骨格筋のPGC-1αの過剰発現は、サルコペニアの軽減とミトコンドリア機能の改善に関連していた。
分裂と融合イベントのバランスの悪さも、加齢によるミトコンドリア生合成の低下に関連している可能性がある。 核分裂は、機能不全のミトコンドリアの選別に関与するため、ミトコンドリアの品質と完全性を維持するために重要である。 機能不全のミトコンドリアは、正しく機能せず、活性酸素の産生が増加する方向に偏った酸化的な能力を有している。 これらのミトコンドリアは、オートファジー-リソソーム系であるマイトファジーによって選択的に除去され、機能不全のミトコンドリアはリソソームと融合することによって分解される。 加齢に伴い、マイトファジーは減少することが観察されている。 この減少は、損傷したミトコンドリアの蓄積、酸化ストレスの進行、アポトーシスの増加などと関連している
5. ミトコンドリアのアポトーシス経路と老化
ミトコンドリアを介したアポトーシスは、プロアポトーシス刺激に応答して、またはOxPhosの重度の故障の場合に誘導される。 簡単に説明すると、ミトコンドリアアポトーシスのカスパーゼ依存的なメカニズムは、ミトコンドリアからシトクロムcや他の因子が放出され、それがカスパーゼによって仲介される不可逆的アポトーシスイベントのカスケードの活性化の引き金となることを伴っている。 カスパーゼ非依存的経路では、ミトコンドリアからエンドヌクレアーゼGとアポトーシス誘導因子（AIF）が放出され、核DNAの分解が起こる。
加齢ラットや高齢者では、アポトーシス細胞の割合が年齢依存的に増加し、カスパーゼ非依存のプロアポトーシス経路が著しくアップレギュレートされており、年齢とともにアポトーシスが大幅に増加することがわかっている 。 また、高齢者ではカスパーゼの発現に大きな変化は見られなかったことから、高齢になるとカスパーゼ依存性の機序が活性化する可能性は低い。
6. 動脈形成におけるミトコンドリアの遺伝・構造変化
動脈硬化の独立危険因子として年齢の上昇がよく知られており、したがって、確立した観点からは、動脈硬化は老化病と見なすことができる。 血管の早期老化や動脈硬化は、ミトコンドリアの機能障害と関連している可能性がある
人間の病理学では、多くの疾患がミトコンドリアゲノム（mtDNA）の体細胞変異に関連していることがよく知られている。 ミトコンドリアの機能障害は酸化ストレスの増加につながるにもかかわらず、動脈硬化症におけるミトコンドリア変異の役割はこれまであまり注目されてこなかった． 最近の研究では、ミトコンドリアの遺伝子変異と頸動脈アテローム性動脈硬化症（頸動脈内膜中膜厚（cIMT）および冠動脈心疾患（CHD）の有無で評価）の重症度の関連性を分析し、白血球のmtDNAにおけるいくつかの突然変異のヘテロプラスミーであることを見いだした。 C3256T、T3336C、G12315A、G13513A、G14459A、G14846A、G15059Aなどの変異は、頸動脈硬化の重症度とCHDの有無の両方に有意に関連していました。 また、動脈硬化病変の電子顕微鏡解析では、ヒト大動脈動脈硬化病変のミトコンドリアの超微細構造の外観は、大動脈内膜の正常部分のミトコンドリアの外観と比較して、高いばらつきがあることが明らかになっている（図1） 。 このことから、ミトコンドリアの外観の構造的変化は、動脈硬化病変の発生を決定する要因であるヒトミトコンドリアゲノムにおける体細胞突然変異の存在を反映しているのではないかという仮説が立てられた。 この仮説を検証するために、我々はこれまでに様々なタイプの動脈硬化性病変との関連が指摘されているいくつかのミトコンドリア変異について、ヘテロプラスミーのレベルを比較した。 罹患していない大動脈内膜のホモジネートとヒト大動脈の脂肪性プラークを比較し、ヒトミトコンドリアゲノムのA1555G、C3256T、T3336T、G12315A、G14459A、G15059A変異の平均ヘテロプラズムレベルを明らかにした。 MT-RNR1遺伝子のA1555G、MT-TL1遺伝子のC3256T、MT-TL2遺伝子のG12315A、MT-CYB遺伝子のG15059Aという少なくとも4つのミトコンドリアゲノム変異は、非動脈硬化性内膜と比較して脂肪線維プラークで有意に高い陽性率と平均値を持つことが判明しています。 ミトコンドリアゲノムの体細胞突然変異が動脈硬化の発症と関連しているという知見は、ミトコンドリアDNAのヘテロプラスミーが動脈硬化のバイオマーカーとして使用されるかもしれないという概念のさらなる探求を促すものである。
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(d)
(e)
(f)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
大動脈内膜におけるミトコンドリアの異なる超微細構造上の外観（（a）-（f））。 (a)肉眼的に正常な大動脈におけるミトコンドリアの典型的な外観。 (b)脂肪線維性プラーク中の、よく定義されたクリスターとよく保存された周囲膜を持つミトコンドリア。 ((c)-(f)) 脂肪線維性プラーク中のミトコンドリアのクリステの構造変異と破壊的変化。 ((c)-(f))では、ミトコンドリアの浮腫状マトリックスのゾーンに空胞様構造が形成されていることを矢印で示す。 ((a)-(f)) 電子顕微鏡スケール= 200 nm（転載元：Atherosclerosis; Sobenin et al. Changes of mitochondria in atherosclerosis: possible determinant in the pathogenesis 2013; 227 : 283-288 , with permission from Elsevier）
7. ミトコンドリアの品質管理と老化
ミトコンドリアには、シャペロン、プロテアーゼ、メチオニン還元酵素など、ミスフォールドしたタンパク質をリフォールドして除去するための酵素が多数存在します。 短命の菌であるPodospora anserinaでは、タンパク質の品質管理に関わるミトコンドリアプロテアーゼPaLon1を欠損させると寿命が著しく短くなる一方で、PaLon1を過剰発現させると菌の寿命には影響せず、健康が長持ちしミトコンドリア機能が改善されることがわかった …。 ミトコンドリアのプロテアーゼLonは酸化タンパク質の分解に関与しており、そのダウンレギュレーションは老化や加齢性疾患に寄与することが示唆されている 。
ミトコンドリアは、ミトコンドリア外膜に存在する細胞質タンパク質を分解することにより、ユビキチン化やプロテアーゼ依存的なアンフォールドタンパクの分解に関わるタンパク質品質管理の細胞システムに寄与している． 一般に、ユビキチン-プロテアーゼ系の活性は、哺乳類では加齢とともに低下することが示されている . しかし、ユビキチン特異的プロテアーゼやプロテアソームサブユニットなど、このシステムのいくつかの構成要素の発現は加齢とともに増加し、他の構成要素のレベルは変化しないか減少します。 老化したラットの筋肉では、プロテアソーム関連タンパク質の発現が増加し、26Sプロテアソームのレベルは成体動物の2-3倍であることが判明した。 加齢に伴うユビキチン・プロテアーゼ系の活性化は、筋原繊維タンパク質の分解を促進し、加齢に伴う筋萎縮に寄与している可能性があります。 加齢におけるミトコンドリア関連タンパク質の分解の具体的な役割は完全に理解されておらず、その特徴を明らかにする必要がある。 結論
加齢におけるミトコンドリアの役割は、ミトコンドリア老化説が示唆するよりも複雑であることが明らかである。 ミトコンドリアの機能、構造、分布、動態における複数の変化が、加齢あるいは加齢に関連した特徴に寄与している。 酵母、線虫、ショウジョウバエ、マウスなどのモデル生物における研究により、ミトコンドリア機能の抑制と刺激の両方が寿命を延ばすことが示されている。 例えば、タンパク質合成や細胞増殖の促進に関連するmTORシグナルのダウンレギュレーションは、ミトコンドリア効率の改善やエネルギー消費の改善を通じて、モデル生物の寿命を延ばすことが示された 。 図2は、カロリー制限がミトコンドリア機能を改善し、ミトコンドリアの老化を遅らせ、長寿を拡大するメカニズム／因子の結果を概説したものである。
Mechanisms which caloric restriction may improve mitochondrial function, delay mitochondrial aging, and expend longevity.カロリー制限によってミトコンドリア機能を改善する、ミトコンドリアの老化を遅らせる、寿命を延ばすことができるメカニズム。 カロリー制限（CR）は、ミトコンドリア機能の刺激を介して長寿の増加につながる可能性のあるいくつかの経路を誘発する。 最初のメカニズムは、ペルオキシソーム増殖剤活性化受容体コアクチベーター-α（PGC-1α）を活性化するタンパク質脱アセチル化酵素であるサーチュイン-1（SIRT1）の誘導を含んでいます。 PGC-1αは、ミトコンドリアの生合成や呼吸に関わる遺伝子の活性化に関与する転写因子であり、ミトコンドリアの生合成や呼吸に関わる遺伝子の活性化には、PGC-1αが関与している。 また、CR は、mTOR（mammalian target of rapamycin）シグナルを阻害し、4E-BP（eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein）の活性を高め、ミトコンドリアの呼吸成分をコードする遺伝子の翻訳を促進させることが知られています。 線虫では、CRは、いくつかの抗酸化遺伝子の発現を制御する核因子-赤血球2関連因子-2（NRF2）を活性化するので、酸化ストレスの軽減とミトコンドリア呼吸の改善を通じて線虫の寿命を延ばす可能性がある。
結果として、通常より20～40％低いカロリーを消費するカロリー制限（CR）が、ヒトにおける中央値と最大寿命の両方を延ばす有望な介入として提案されました。 25％カロリー制限に基づくカロリー制限試験CALERIEにおいて、カロリー制限患者はmtDNA損傷が少なく、mtDNA量が多く、いくつかの抗酸化酵素の発現が増加していることが示され、したがって、カロリー制限は酸化ストレスを減らすことによりミトコンドリア機能を向上させ、ミトコンドリアの老化を遅らせることが示唆された。 CR 患者では、PGC-1α、Tfam、SIRT1 などのミトコンドリア生合成に関与するいくつかのタンパク質の発現が、対照群と比較して増加することが報告された。 要約すると、CRは酸化ストレスを軽減し、ATP産生効率が高く、最適な酸化能力を持ち、活性酸素の発生が少ないミトコンドリアを生成するために、ミトコンドリア生合成を強化する。
運動トレーニング単独またはCRとの併用も、ミトコンドリア生合成および酸化能力を刺激するメカニズムやタンパク質品質管理の改善を通じて、ヒトにおけるミトコンドリアの老化と加齢関連機能不全を遅延する有効な戦略であると思われる . 運動トレーニングは、高齢者のミトコンドリア機能を最適化することができるという強い証拠がある 。 低炭水化物（グリコーゲン）食と組み合わせた運動は、PGC-1αの発現を増加させ、ヒト骨格筋の酸化能力を最適化することが示された . CALERIE試験では、CRと運動トレーニングを組み合わせることで、加齢に伴う重要な病理である心血管疾患の推定リスクが、対照群と比較して38％減少した ……。 実際、身体活動の増加、あるいは単に活動的なスタイルの習慣を採用するだけでも、ミトコンドリアの減少速度を明らかに減少させ、加齢に関連する表現型を減弱させる可能性がある＜8877＞＜7246＞利害関係＜2105＞＜3049＞著者は、この論文の発表に関して利害関係を報告しない。
謝辞
著者らは、ロシア連邦教育科学省およびニューサウスウェールズ大学シドニー校医学部の支援に感謝したい
。