Mitochondriale veroudering en leeftijdsgebonden disfunctie van Mitochondriën

Abstract

Gerelateerde veranderingen in mitochondriën worden geassocieerd met een afname van de mitochondriale functie. Met hogere leeftijd nemen het volume, de integriteit en de functionaliteit van mitochondriaal DNA af door accumulatie van mutaties en oxidatieve schade veroorzaakt door reactieve zuurstofsoorten (ROS). Bij ouderen worden de mitochondriën gekenmerkt door een verminderde functie, zoals een verlaagde oxidatieve capaciteit, verminderde oxidatieve fosforylering, verminderde ATP productie, een aanzienlijke toename in ROS generatie, en een verminderde antioxidant verdediging. Mitochondriale biogenese neemt af met de leeftijd als gevolg van veranderingen in de mitochondriale dynamiek en remming van mitofagie, een autofagie proces dat disfunctionele mitochondriën verwijdert. Leeftijd-afhankelijke afwijkingen in mitochondriale kwaliteitscontrole verder verzwakken en afbreuk doen aan mitochondriale functie. In verouderde weefsels draagt een verhoogde mitochondriaal-gemedieerde apoptose bij tot een stijging van het percentage apoptotische cellen. De toepassing van strategieën zoals calorierestrictie en regelmatige fysieke training kan de mitochondriale veroudering vertragen en het leeftijdsgebonden fenotype bij de mens afzwakken.

1. Inleiding

Mitochondriale disfunctie, inclusief verminderde oxidatieve capaciteit en toegenomen oxidatieve schade, wordt verondersteld substantieel bij te dragen aan biologische veroudering. Een fundamentele invloed van mitochondriën op veroudering is al enkele decennia geleden geopperd. Eén concept beschouwt veroudering als het resultaat van een opeenstapeling van schade aan biomoleculen als gevolg van de overmatige productie van zeer toxische reactieve zuurstofsoorten (ROS). Dit concept werd ontwikkeld als de mitochondriale theorie van veroudering aangezien mitochondriën de belangrijkste producenten van ROS in de cel zijn. Volgens deze theorie stapelen mitochondriën met het ouder worden ROS-geïnduceerde schade op en worden zij disfunctioneel. Na verloop van tijd neemt de functie van de cellen af, hetgeen leidt tot veroudering en de daaropvolgende dood. Dit concept werd ondersteund door een groeiend aantal experimentele gegevens van diermodellen. Zo vertoonden muizen met een hoog mutatiepercentage in het mitochondriaal DNA (mtDNA) (de zogenaamde mtDNA-mutatormuizen) vergevorderde verouderingsfenotypes. Anderzijds hebben vele recente studies ook gegevens opgeleverd die deze theorie tegenspreken. Zo had de knock-out van superoxide dismutase genen geen invloed op de levensduur van Caenorhabditis elegans. De rol van mitochondriën bij veroudering lijkt inderdaad zeer complex te zijn.

Mitochondriën zijn subcellulaire autonome organellen die primair verantwoordelijk zijn voor de opwekking van energie en ATP synthese. Daarnaast spelen mitochondriën een essentiële rol in het aminozuur- en lipidenmetabolisme en de regulering van apoptose. Mitochondriën hebben hun eigen DNA; dit codeert echter slechts 1% van de ongeveer 1.000 mitochondriale eiwitten. De overgrote meerderheid van de mitochondriale eiwitten wordt gecodeerd door kern-DNA en wordt vanuit het cytoplasma naar de mitochondriën getransporteerd. Mitochondriën kunnen in aantal en massa veranderen als gevolg van dynamische processen zoals fissie en mitofagie. Mitofagie is een specifieke vorm van autofagie die nodig is om disfunctionele of beschadigde mitochondriën af te breken.

In dit overzicht gaan we kort in op de belangrijkste veranderingen in de functie en dynamiek van mitochondriën die hen disfunctioneel maken en bijdragen aan veroudering.

2. Veranderingen in het Mitochondriaal DNA bij veroudering

De mitochondriale theorie van veroudering is gebaseerd op het feit dat mitochondriaal DNA (mtDNA) een hogere mutatiesnelheid heeft en een minder efficiënte herstelmachine in vergelijking met kern-DNA. De mutatiesnelheid van mtDNA is tot 15-maal hoger dan die van kern-DNA. De accumulatie van mutaties in het mtDNA kan een kritische drempel bereiken en schadelijke effecten veroorzaken, met name in mitochondriën waar slecht functionerende of beschadigde onderdelen van de ademhalingsketen moeten worden vervangen. Mutaties in het mtDNA die de expressie van oxidatieve fosforylatie (OxPhos) complexen veranderen, kunnen leiden tot mitochondriale disfunctie en versnelde ROS-generatie. De ontwikkeling van de mtDNA mutator muis, een dier met gemuteerd mtDNA polymerase γ, heeft het sterke potentieel van mtDNA mutaties bij veroudering aangetoond. Deze muizen hadden een defect mechanisme in hun mtDNA proofreading tijdens replicatie en resulteerde in de generatie van een groot aantal nieuwe mutaties en de ontwikkeling van voortijdige verouderingsfenotypes . Volgens het “vicieuze cirkel”-concept worden mtDNA-mutaties exponentieel geaccumuleerd en zouden zij gepaard moeten gaan met een duidelijke uitbarsting van ROS-productie. Experimenten met mtDNA mutatormuizen hebben echter een lineaire progressie in de accumulatie van mtDNA mutaties gedurende de levensduur aangetoond. Er waren geen significante veranderingen in ROS productie en activiteit van antioxidant enzymen in de mtDNA mutator muizen vergeleken met de normale dieren. Deze bevindingen brengen de “vicieuze cirkel” theorie, die suggereert dat mtDNA mutaties en verminderde OxPhos maar niet ROS productie primair verantwoordelijk zijn voor vroegtijdige veroudering in de mtDNA mutator muizen, ernstig in gevaar.

Door de nauwe nabijheid van de ROS-producerende componenten van de ademhalingsketen en de afwezigheid van histonen, is mtDNA bovendien zeer vatbaar voor oxidatieve schade. In hepatocyten van ratten was de hoeveelheid 8-hydroxydeoxyguanosine, een marker van oxidatieve DNA-beschadiging, 16 keer hoger in het mtDNA dan in het kern-DNA. In de skeletspieren en de lever van ratten werden aanzienlijke leeftijdsgebonden verminderingen van het mtDNA-kopie-aantal waargenomen. Deze bevindingen suggereren dat de hoeveelheid en integriteit van mtDNA kan afnemen met de leeftijd en kan leiden tot afwijkende expressie van elektronentransportketen eiwitten, waardoor het mechanisme van OxPhos .

3. Mitochondriale ROS productie en veroudering

De elektronentransportketen gelegen in de binnenste mitochondriale membraan bestaat uit vier eiwitcomplexen en is gekoppeld aan ATP synthase, een ATP-producerend enzym. ROS worden beschouwd als ongewenste en giftige bijproducten van het mitochondriale elektronentransportsysteem.

Door hun extreme reactiviteit lijken ROS een belangrijke mediator te zijn van leeftijd-geassocieerde cellulaire schade. ROS kunnen ook fungeren als signaalmoleculen. Interessant is dat lage doses ROS in feite de levensduur bevorderen, terwijl hoge doses daarentegen de levensduur van C. elegans verkorten. Een paradoxale toename in levensduur werd waargenomen bij mitochondriale respiratie mutanten van C. elegans bij verhoogde niveaus van ROS. ROS bleken hypoxie-geïnduceerde factor-1 (HIF-1) te activeren, een transcriptiefactor geassocieerd met een verlengde levensduur. Milde remming van de mitochondriale ademhaling bleek de levensduur te verlengen in vele soorten zoals C. elegans, Drosophila, en muizen, wat suggereert dat een toename van de levensduur door matige onderdrukking van de mitochondriale ademhaling evolutionair behouden blijft.

Antioxidant-enzymen die betrokken zijn bij ROS-inactivatie bieden bescherming tegen oxidatieve stress. Inderdaad, defecten in de activiteit van mitochondriale antioxidant enzymen kunnen oxidatieve stress verhogen. Muizen die een transgen bevatten van een mitochondriaal antioxidant enzym zoals Mn-afhankelijk superoxide dismutase (Mn-SOD) of catalase vertoonden een verhoogde levensduur, terwijl muizen zonder Mn-SOD stierven aan een vroegtijdige dood geassocieerd met ernstige mitochondriale disfunctie en neurodegeneratie . Muizen met een tekort aan p66shc, een eiwit dat onafhankelijk van het OxPhos mechanisme betrokken is bij de mitochondriale ROS productie, vertoonden een verhoogde weerstand tegen oxidatieve stress en een verlenging van de levensduur met 30%.

Enzymatische veranderingen kunnen de mitochondriale oxidatieve capaciteit en ATP synthese beïnvloeden. Bij mensen neemt de ATP-producerende capaciteit af met 8% per decennium . Evenzo werd bij ouderen een 1,5-voudige vermindering van de oxidatieve capaciteit per mitochondriaal volume en een 1,5-voudige vermindering per spiervolume vastgesteld . Leeftijdsafhankelijke afname van de mitochondriale functie kan het gevolg zijn van een lage fysieke activiteit, omdat wanneer fysieke activiteit wordt vergeleken tussen oude en jonge mensen, de meeste studies geen significante correlaties vinden tussen leeftijd, mitochondriale ademhaling, en ATP flux .

4. Leeftijdsafhankelijke veranderingen in mitochondriale dynamiek

De mitochondriale dynamiek omvat de beweging van mitochondriën langs het cytoskelet, de regulering van mitochondriale architectuur, en connectiviteit gemedieerd door fusie / splitsing gebeurtenissen . Dit dynamische netwerk is essentieel voor het behoud van normale mitochondriale functies en neemt deel aan fundamentele processen, waaronder veroudering. Mitochondriale biogenese is de uitbreiding van mitochondriën door mechanismen die groei (toename van de mitochondriale massa) en deling (toename van het aantal mitochondriën) omvatten.

Bij gevorderde leeftijd bleek de mitochondriale dichtheid in skeletspieren geleidelijk af te nemen, wat kan wijzen op een afname van de mitochondriale biogenese. De afname van de mitochondriale biogenese kan het gevolg zijn van een leeftijdsafhankelijke verlaging van de niveaus van PGC-1α, een belangrijke regulator van biogenese. Bij oudere muizen werd overexpressie van PGC-1α in skeletspieren geassocieerd met verminderde sarcopenie en een verbetering van de mitochondriale functie.

Een verstoord evenwicht tussen fissie- en fusiegebeurtenissen kan ook verband houden met leeftijdsafhankelijke afname van mitochondriale biogenese. Fissie is belangrijk voor het behoud van mitochondriale kwaliteit en integriteit, omdat het betrokken is bij de selectie van disfunctionele mitochondriën. Defecte mitochondriën functioneren niet naar behoren en hebben een verminderde oxidatieve capaciteit met een neiging tot verhoogde ROS-productie. Deze mitochondriën worden selectief verwijderd door mitofagie, een autofagie-lysosoom systeem dat disfunctionele mitochondriën afbreekt door fusie met lysosomen. Bij het ouder worden is vastgesteld dat de mitofagie afneemt. Deze afname wordt geassocieerd met een accumulatie van beschadigde mitochondriën, gevorderde oxidatieve stress, en toegenomen apoptose. Mitochondriaal Apoptotisch Pad en Veroudering

Mitochondriaal-gemedieerde apoptose wordt geïnduceerd in reactie op proapoptotische stimuli of in het geval van ernstig falen in OxPhos. Kort samengevat gaat een caspase-afhankelijk mechanisme van mitochondriale apoptose gepaard met het vrijkomen van cytochroom c en andere factoren uit mitochondriën, hetgeen vervolgens de activering inleidt van een cascade van onomkeerbare apoptotische gebeurtenissen, gemedieerd door caspasen. In de caspase-onafhankelijke route leidt het vrijkomen van endonuclease G en apoptose-inducerende factor (AIF) door mitochondriën tot de afbraak van kern-DNA.

Apoptose bleek aanzienlijk toe te nemen met de leeftijd, zoals blijkt uit een leeftijdsafhankelijke toename van het percentage apoptotische cellen en significante upregulatie van de caspase-onafhankelijke pro-apoptotische route bij oude ratten en bejaarden. Aangezien er geen significante veranderingen in de expressie van caspasen bij oudere proefpersonen werden waargenomen , is het onwaarschijnlijk dat het caspase-afhankelijke mechanisme wordt geactiveerd met gevorderde leeftijd.

6. Genetische en structurele wijzigingen van Mitochondria in Atherogenesis

Het is bekend dat toenemende leeftijd een onafhankelijke risicofactor is voor de ontwikkeling van atherosclerose , en daarom kan atherosclerose volgens een vaststaand standpunt worden beschouwd als een ziekte van veroudering . Voortijdige of versnelde vasculaire veroudering en atherosclerose kan in verband worden gebracht met disfunctie van de mitochondriën .

Het is bekend dat in de menselijke pathologie een aantal ziekten in verband worden gebracht met somatische mutaties in het mitochondriaal genoom (mtDNA) . Hoewel mitochondriale disfunctie leidt tot verhoogde oxidatieve stress, heeft de rol van mitochondriale mutaties in atherosclerose tot nu toe niet veel aandacht gekregen. In een recente studie analyseerden we de associatie van mitochondriale genetische variatie met de ernst van carotis atherosclerose (zoals beoordeeld door carotis intima-media dikte (cIMT) en de aanwezigheid van coronaire hartziekte (CHD)) en vonden dat heteroplasmie voor verschillende mutaties in het mtDNA in leukocyten, waaronder C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A, en G15059A mutaties, significant geassocieerd waren met zowel de ernst van carotis atherosclerose als de aanwezigheid van CHD . Elektronen-microscopische analyse van atherosclerotische laesies heeft ook een grote variabiliteit in de ultrastructurele verschijning van mitochondriën in menselijke aorta atherosclerotische laesies in vergelijking met de verschijning van mitochondriën in de normale delen van de aorta intima (figuur 1) . Dit bracht ons tot de hypothese dat de structurele variaties in het voorkomen van mitochondriën het bestaan van somatische mutaties in het humane mitochondriale genoom zouden kunnen weerspiegelen, die een determinant van de ontwikkeling van atherosclerotische laesies zouden kunnen zijn. Om deze hypothese te testen, hebben wij de niveaus van heteroplasmie vergeleken voor verscheidene mitochondriale mutaties waarvan eerder werd voorgesteld dat ze geassocieerd zijn met verschillende types van atherosclerotische letsels. De homogenaten van niet aangetaste aorta intimae en lipofibreuze plaques van menselijke aorta’s werden vergeleken om het gemiddelde niveau van heteroplasmie voor A1555G, C3256T, T3336T, G12315A, G14459A, en G15059A mutaties van het menselijke mitochondriale genoom te onthullen. Gebleken is dat ten minste vier mutaties van het mitochondriaal genoom, namelijk A1555G in het MT-RNR1-gen, C3256T in het MT-TL1-gen, G12315A in het MT-TL2-gen en G15059A in het MT-CYB-gen, een significant hogere prevalentie en gemiddelde waarde hebben in lipofibroïde plaques in vergelijking met niet-atherosclerotische intima . De bevindingen dat somatische mutaties in het mitochondriale genoom geassocieerd zijn met de ontwikkeling van atherosclerose zou verdere exploratie van het concept dat mitochondriale DNA heteroplasmie gebruikt zou kunnen worden als biomarker van atherogenese moeten aanmoedigen.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)

7. Mitochondriale kwaliteitscontrole en veroudering

Mitochondriën hebben een aantal specifieke enzymen zoals chaperones, proteasen, en methionine reductase om verkeerd gevouwen eiwitten te hervouwen en te elimineren. In de kortlevende schimmel Podospora anserina, deletie van mitochondriale protease PaLon1 betrokken bij eiwitkwaliteitscontrole leidt tot aanzienlijk verkorte levensduur, terwijl overexpressie van PaLon1 niet van invloed op de levensduur van de schimmel, maar werd geassocieerd met een langdurige goede gezondheid en verbeterde mitochondriale functie . De mitochondriale protease Lon is verantwoordelijk voor de afbraak van geoxideerde eiwitten en zijn downregulering wordt gesuggereerd om bij te dragen aan veroudering en leeftijdsgebonden ziekten . Dus, de goede werking van de mitochondriën-geassocieerde kwaliteitscontrole-systeem kan worden geassocieerd met een lange levensduur of op zijn minst verlengen van de gezonde levensduur.

Mitochondriën dragen bij aan de cellulaire systeem van de eiwitkwaliteit controle geassocieerd met ubiquitinatie en protease-afhankelijke afbraak van ongevouwen eiwitten door de afbraak van cytosolische eiwitten gelegen aan de buitenste mitochondriale membraan . In het algemeen is aangetoond dat de activiteit van het ubiquitine-protease systeem afneemt met de leeftijd bij zoogdieren. De expressie van sommige componenten van dit systeem, zoals ubiquitine-specifieke proteasen en bepaalde proteasoom subeenheden wordt echter met de leeftijd verhoogd, terwijl de niveaus van andere componenten onveranderd blijven of dalen . In de spieren van oude ratten was de expressie van proteasoom-geassocieerde eiwitten verhoogd en de niveaus van 26S proteasomen bleken 2- tot 3-voudig hoger te zijn dan die van volwassen dieren. Leeftijdsafhankelijke activatie van het ubiquitine-protease systeem kan inderdaad bijdragen aan een verhoogde afbraak van myofibrillaire eiwitten en leeftijdsgebonden spieratrofie. De specifieke rol van mitochondriaal-geassocieerde eiwitafbraak in veroudering is niet volledig begrepen en moet worden gekarakteriseerd.

8. Conclusie

Het is duidelijk dat een rol van mitochondriën in veroudering gecompliceerder is dan gesuggereerd door de mitochondriale theorie van veroudering. Meervoudige veranderingen in mitochondriale functie, structuur, distributie en dynamiek dragen bij aan veroudering of leeftijdsgebonden kenmerken. Studies in modelorganismen zoals gist, C. elegans, Drosophila, en muizen hebben aangetoond dat zowel onderdrukking en stimulatie van de mitochondriale functie kan levensduur verlengen. Bijvoorbeeld, werd downregulering van mTOR signalering geassocieerd met verbeterde eiwitsynthese en celgroei aangetoond dat de levensduur in modelorganismen te verhogen door middel van verbeterde mitochondriale efficiëntie en een beter energieverbruik . Figuur 2 schetst het gevolg van de mechanismen/factoren waardoor calorierestrictie de mitochondriale functie kan verbeteren, de mitochondriale veroudering kan vertragen en de levensduur kan verlengen.

Figuur 2

Mechanismen waardoor calorierestrictie de mitochondriale functie kan verbeteren, de mitochondriale veroudering kan vertragen, en de levensduur kan verlengen. Calorische restrictie (CR) triggert verschillende paden die kunnen leiden tot een langere levensduur via stimulatie van de mitochondriale functie. Het eerste mechanisme omvat de inductie van sirtuin-1 (SIRT1), een eiwit deacetylase dat op zijn beurt peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-α (PGC-1α) activeert. PGC-1α is een transcriptiefactor die betrokken is bij de activering van genen waarvan de producten betrokken zijn bij de mitochondriale biogenese en de ademhaling. CR remt ook het mammalian target of rapamycin (mTOR) signaal dat geassocieerd is met een verhoging van de activiteit van de eukaryote translatie initiatie factor 4E bindend eiwit (4E-BP) dat de translatie stimuleert van genen die coderen voor mitochondriale respiratoire componenten. In C. elegans activeert CR de nucleaire factor-erythroid 2-gerelateerde factor-2 (NRF2) die de expressie van verscheidene antioxidantgenen reguleert en bijgevolg de levensduur van C. elegans kan verlengen door de vermindering van oxidatieve stress en de verbetering van de mitochondriale ademhaling.

Bijgevolg werd calorische restrictie (CR), die gewoonlijk inhoudt dat 20-40% minder calorieën dan normaal worden geconsumeerd, voorgesteld als een veelbelovende interventie om zowel de mediane als de maximale levensduur bij de mens te verlengen. In een CR trial CALERIE gebaseerd op 25% CR, bleken CR patiënten minder mtDNA schade te hebben, meer mtDNA inhoud, en verhoogde expressie van sommige antioxidant enzymen, wat suggereert dat CR de mitochondriale functie verbetert en mitochondriale veroudering vertraagt door vermindering van oxidatieve stress. De toename in expressie van verschillende eiwitten die betrokken zijn bij mitochondriale biogenese zoals PGC-1α, Tfam, en SIRT1 werd gerapporteerd bij CR patiënten in vergelijking met controles. Samenvattend, CR vermindert oxidatieve stress en verbetert mitochondriale biogenese om mitochondriën te produceren die efficiënter zijn in ATP productie, een optimale oxidatieve capaciteit hebben, en minder ROS genereren.

Oefeningstraining alleen of in combinatie met CR kan ook een efficiënte strategie zijn om mitochondriale veroudering en leeftijdsgebonden disfunctie bij mensen te vertragen door mechanismen die mitochondriale biogenese en oxidatieve capaciteit stimuleren en de kwaliteitscontrole van eiwitten verbeteren . Er zijn sterke aanwijzingen dat training de mitochondriale functie bij ouderen kan optimaliseren. Oefening, gecombineerd met een laag koolhydraat (glycogeen) dieet, bleek de expressie van PGC-1α te verhogen en de oxidatieve capaciteit van menselijke skeletspieren te optimaliseren. In de CALERIE-studie resulteerde de combinatie van CR met training in een vermindering van 38% van het geschatte risico op hart- en vaatziekten, een belangrijke leeftijdsgerelateerde pathologie, in vergelijking met controles. Inderdaad, meer lichamelijke activiteit of zelfs gewoon het aannemen van actieve stijl gewoonten kan duidelijk verminderen de snelheid van mitochondriale verval en verzwakken het leeftijdsgebonden fenotype.

Conflict of Interests

De auteurs melden geen belangenconflict met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Acknowledgments

De auteurs willen het Ministerie van Onderwijs en Wetenschap van de Russische Federatie en de School of Medical Sciences, University of New South Wales, Sydney, bedanken voor de ondersteuning van hun werk.