Abstract
Zależne od wieku zmiany w mitochondriach wiążą się ze spadkiem ich funkcji. Wraz z wiekiem zmniejsza się objętość, integralność i funkcjonalność mitochondrialnego DNA z powodu akumulacji mutacji i uszkodzeń oksydacyjnych indukowanych przez reaktywne formy tlenu (ROS). U osób w podeszłym wieku mitochondria charakteryzują się upośledzoną funkcją, taką jak obniżona pojemność oksydacyjna, zmniejszona fosforylacja oksydacyjna, obniżona produkcja ATP, znaczny wzrost generacji ROS oraz osłabiona obrona antyoksydacyjna. Biogeneza mitochondriów zmniejsza się z wiekiem z powodu zmian w dynamice mitochondriów i zahamowania mitofagii, procesu autofagii, który usuwa dysfunkcyjne mitochondria. Zależne od wieku nieprawidłowości w mitochondrialnej kontroli jakości dodatkowo osłabiają i upośledzają funkcję mitochondriów. W starzejących się tkankach nasilona apoptoza mitochondriów przyczynia się do wzrostu odsetka komórek apoptotycznych. Jednak wdrożenie strategii, takich jak ograniczenie kalorii i regularny trening fizyczny, może opóźnić starzenie się mitochondriów i złagodzić fenotyp związany z wiekiem u ludzi.
1. Wprowadzenie
Dysfunkcja mitochondriów, w tym zmniejszona pojemność oksydacyjna i zwiększone uszkodzenia oksydacyjne, jest uważana za istotnie przyczyniającą się do biologicznego starzenia się. Zasadniczy wpływ mitochondriów na starzenie się został zasugerowany już kilkadziesiąt lat temu. Jedna z koncepcji zakłada, że starzenie się jest wynikiem nagromadzenia uszkodzeń biomolekuł spowodowanych nadmierną produkcją wysoce toksycznych reaktywnych form tlenu (ROS). Koncepcja ta została rozwinięta jako mitochondrialna teoria starzenia się, ponieważ mitochondria są głównymi producentami ROS w komórce. Zgodnie z tą teorią, z wiekiem mitochondria gromadzą uszkodzenia wywołane przez ROS i stają się dysfunkcyjne. Z czasem funkcja komórek ulega pogorszeniu, powodując starzenie się, a następnie śmierć. Koncepcja ta została poparta rosnącą liczbą danych eksperymentalnych pochodzących z modeli zwierzęcych. Na przykład myszy, u których stwierdzono wysoki odsetek mutacji w mitochondrialnym DNA (mtDNA) (tzw. myszy mutatory mtDNA) wykazywały zaawansowane fenotypy starzenia się. Z drugiej strony, wiele ostatnich badań dostarczyło również danych zaprzeczających tej teorii. Na przykład, nokaut genów dysmutazy ponadtlenkowej nie wpłynął na długość życia Caenorhabditis elegans. Rzeczywiście, rola mitochondriów w starzeniu wydaje się być bardzo złożona.
Mitochondria są subkomórkowymi, autonomicznymi organellami odpowiedzialnymi głównie za wytwarzanie energii i syntezę ATP. Oprócz tego mitochondria odgrywają istotną rolę w metabolizmie aminokwasów i lipidów oraz regulacji apoptozy. Mitochondria posiadają własny DNA, który koduje jednak tylko 1% z około 1000 białek mitochondrialnych. Zdecydowana większość białek mitochondrialnych jest kodowana przez DNA jądrowe i jest transportowana do mitochondriów z cytoplazmy. Mitochondria mogą zmieniać swoją liczbę i masę w wyniku dynamicznie zachodzących procesów, takich jak rozszczepienie i mitofagia. Mitofagia jest specyficzną formą autofagii, która jest wymagana do degradacji dysfunkcyjnych lub uszkodzonych mitochondriów .
W tym przeglądzie, krótko rozważamy główne zmiany w funkcji i dynamice mitochondriów, które sprawiają, że są one dysfunkcyjne i przyczyniają się do starzenia się.
2. Zmiany w mitochondrialnym DNA w starzeniu
Mitochondrialna teoria starzenia się opiera się na fakcie, że mitochondrialne DNA (mtDNA) ma wyższy wskaźnik mutacji i mniej wydajne maszyny naprawcze w porównaniu z jądrowym DNA. Tempo mutacji mtDNA jest do 15 razy wyższe niż jądrowego DNA. Istotnie, nagromadzenie mutacji w mtDNA może osiągnąć próg krytyczny i spowodować niekorzystne skutki, zwłaszcza w mitochondriach, w których nieprawidłowo funkcjonujące lub uszkodzone elementy łańcucha oddechowego muszą zostać zastąpione. Mutacje w mtDNA, które zmieniają ekspresję kompleksów fosforylacji oksydacyjnej (OxPhos) mogą prowadzić do dysfunkcji mitochondriów i przyspieszonego generowania ROS. Opracowanie myszy mutatora mtDNA, zwierzęcia ze zmutowaną polimerazą γ mtDNA, podkreśliło silny potencjał mutacji mtDNA w starzeniu się. Myszy te miały wadliwy mechanizm w ich mtDNA proofreading podczas replikacji, co skutkowało generowaniem dużej liczby nowych mutacji i rozwojem fenotypów przedwczesnego starzenia się. Zgodnie z koncepcją „błędnego koła”, mutacje mtDNA są gromadzone wykładniczo i powinny być związane z wyraźnym wybuchem produkcji ROS. Jednak eksperymenty z udziałem myszy mutatorów mtDNA wykazały liniową progresję w akumulacji mutacji mtDNA w ciągu życia. Nie było znaczących zmian w produkcji ROS i aktywności enzymów antyoksydacyjnych u myszy mutatorów mtDNA w porównaniu do normalnych zwierząt. Rzeczywiście, wyniki te poważnie podważają teorię „błędnego koła”, która sugeruje, że mutacje mtDNA i upośledzona produkcja OxPhos, ale nie ROS, są głównie odpowiedzialne za przedwczesne starzenie się u myszy mutatorów mtDNA.
Ponadto, ze względu na bliskie sąsiedztwo z wytwarzającymi ROS składnikami łańcucha oddechowego i brak histonów, mtDNA jest bardzo podatne na uszkodzenia oksydacyjne. W hepatocytach szczura ilość 8-hydroksydeoksyguanozyny, markera uszkodzeń oksydacyjnych DNA, była 16 razy wyższa w mtDNA niż w jądrowym DNA. W mięśniach szkieletowych i wątrobie szczurów zaobserwowano znaczne, związane z wiekiem, obniżenie liczby kopii mtDNA. Wyniki te sugerują, że ilość i integralność mtDNA może zmniejszać się z wiekiem i prowadzić do nieprawidłowej ekspresji białek łańcucha transportu elektronów, upośledzając w ten sposób mechanizm działania OxPhos.
3. Mitochondrial ROS Production and Aging
Lańcuch transportu elektronów znajdujący się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej składa się z czterech kompleksów białkowych i jest sprzężony z syntazą ATP, enzymem wytwarzającym ATP. ROS są uważane za niepożądane i toksyczne produkty uboczne mitochondrialnego systemu transportu elektronów.
Dzięki swojej ekstremalnej reaktywności, ROS wydają się być głównym mediatorem uszkodzeń komórkowych związanych z wiekiem. ROS mogą również działać jako cząsteczki sygnalizacyjne. Co ciekawe, niskie dawki ROS mogą faktycznie promować długowieczność, podczas gdy wysokie dawki, w przeciwieństwie do tego, skracają życie C. elegans. Paradoksalny wzrost długowieczności zaobserwowano u mutantów oddychania mitochondrialnego C. elegans przy podwyższonym poziomie ROS. Wykazano, że ROS aktywują czynnik indukowany hipoksją-1 (HIF-1), czynnik transkrypcyjny związany z wydłużeniem życia. Wykazano, że łagodne hamowanie oddychania mitochondrialnego wydłuża życie u wielu gatunków, takich jak C. elegans, Drosophila i myszy, sugerując, że wzrost długowieczności przez umiarkowaną supresję oddychania mitochondrialnego jest ewolucyjnie preserved.
Antyoksydacyjne enzymy zaangażowane w inaktywację ROS zapewniają ochronę przed stresem oksydacyjnym. Rzeczywiście, wady w aktywności mitochondrialnych enzymów antyoksydacyjnych mogą zwiększać stres oksydacyjny. Myszy zawierające transgen mitochondrialnego enzymu antyoksydacyjnego, takiego jak zależna od Mn dysmutaza ponadtlenkowa (Mn-SOD) lub katalaza, wykazały zwiększoną długowieczność, podczas gdy myszy pozbawione Mn-SOD zmarły przedwczesną śmiercią związaną z ciężką dysfunkcją mitochondriów i neurodegeneracją . Myszy z niedoborem p66shc, białka zaangażowanego w mitochondrialną produkcję ROS niezależną od mechanizmu OxPhos, wykazywały zaawansowaną odporność na stres oksydacyjny i wzrost długości życia o 30% .
Zmiany enzymatyczne mogą wpływać na mitochondrialną zdolność oksydacyjną i syntezę ATP. U ludzi, zdolność do produkcji ATP zmniejsza się o 8% na dekadę. Podobnie, u osób starszych stwierdzono 1,5-krotne zmniejszenie pojemności oksydacyjnej na objętość mitochondriów i 1,5-krotne zmniejszenie na objętość mięśni. Zależny od wieku spadek funkcji mitochondriów może wynikać z niskiej aktywności fizycznej, ponieważ gdy aktywność fizyczna jest porównywana między ludźmi starymi i młodymi, większość badań nie znalazła żadnych istotnych korelacji między wiekiem, oddychaniem mitochondrialnym i strumieniem ATP.
4. Age-Dependent Changes in Mitochondrial Dynamics
Dynamika mitochondriów obejmuje ruch mitochondriów wzdłuż cytoszkieletu, regulację architektury mitochondriów i łączność pośredniczoną przez zdarzenia fuzji/rozszczepienia. Ta dynamiczna sieć jest niezbędna do utrzymania prawidłowych funkcji mitochondriów i uczestniczy w podstawowych procesach, w tym starzenia się. Biogeneza mitochondriów to ekspansja mitochondriów poprzez mechanizmy obejmujące wzrost (wzrost masy mitochondriów) i podział (wzrost liczby mitochondriów).
Wraz z zaawansowanym wiekiem wykazano stopniowy spadek gęstości mitochondriów w mięśniach szkieletowych, co może sugerować spadek biogenezy mitochondriów. Spadek biogenezy mitochondriów może wynikać z zależnego od wieku obniżenia poziomu PGC-1α, kluczowego regulatora biogenezy. U starzejących się myszy nadekspresja PGC-1α w mięśniach szkieletowych wiązała się ze zmniejszeniem sarkopenii i poprawą funkcji mitochondriów .
Zaburzona równowaga między zdarzeniami rozszczepienia i fuzji może być również związana z zależnym od wieku spadkiem biogenezy mitochondriów. Rozszczepienie jest ważne dla utrzymania jakości i integralności mitochondriów, ponieważ jest zaangażowane w selekcję dysfunkcyjnych mitochondriów. Dysfunkcyjne mitochondria nie funkcjonują prawidłowo i mają upośledzoną zdolność oksydacyjną, skłaniającą się w kierunku zwiększonej produkcji ROS. Takie mitochondria są selektywnie usuwane przez mitofagię, system autofagii i lizosomów, który degraduje dysfunkcyjne mitochondria poprzez fuzję z lizosomami. Z wiekiem zaobserwowano, że mitofagia maleje. Spadek ten jest związany z nagromadzeniem uszkodzonych mitochondriów, zaawansowanym stresem oksydacyjnym i zwiększoną apoptozą .
5. Mitochondrial Apoptotic Pathway and Aging
Mitochondria-mediated apoptosis is induced in response to proapoptotic stimuli or in the case of severe failure in OxPhos. W skrócie, w zależnym od kaspaz mechanizmie apoptozy mitochondrialnej dochodzi do uwolnienia cytochromu c i innych czynników z mitochondriów, co następnie uruchamia aktywację kaskady nieodwracalnych zdarzeń apoptotycznych, w których pośredniczą kaspazy. W ścieżce niezależnej od kaspaz, uwolnienie endonukleazy G i czynnika indukującego apoptozę (AIF) przez mitochondria prowadzi do degradacji jądrowego DNA .
Apoptoza okazała się znacząco wzrastać z wiekiem, co odzwierciedla zależny od wieku przyrost odsetka komórek apoptotycznych i znaczący wzrost regulacji niezależnej od kaspaz ścieżki proapoptotycznej u starzejących się szczurów i osób starszych. Ponieważ nie zaobserwowano istotnych zmian w ekspresji kaspaz u osób starszych, jest mało prawdopodobne, aby mechanizm zależny od kaspaz był aktywowany wraz z zaawansowanym wiekiem.
6. Genetic and Structural Alterations of Mitochondria in Atherogenesis
Wzrastający wiek jest dobrze znany jako niezależny czynnik ryzyka rozwoju miażdżycy, a zatem, zgodnie z ugruntowanym punktem widzenia, miażdżyca może być uważana za chorobę starzenia się. Przedwczesne lub przyspieszone starzenie się naczyń i miażdżyca mogą być związane z dysfunkcją mitochondriów .
Dobrze wiadomo, że w patologii człowieka wiele chorób jest związanych z mutacjami somatycznymi w genomie mitochondrialnym (mtDNA) . Mimo że dysfunkcja mitochondriów prowadzi do nasilenia stresu oksydacyjnego, rola mutacji mitochondrialnych w miażdżycy nie była do tej pory przedmiotem szczególnej uwagi. W ostatnim badaniu przeanalizowaliśmy związek genetycznej zmienności mitochondrialnej z ciężkością miażdżycy tętnic szyjnych (ocenianej na podstawie grubości błony środkowej tętnic szyjnych (cIMT) i obecności choroby wieńcowej (CHD)) i stwierdziliśmy, że heteroplazmia dla kilku mutacji w mtDNA w leukocytach, w tym mutacje C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A i G15059A, były istotnie związane zarówno z nasileniem miażdżycy tętnic szyjnych, jak i z obecnością CHD. Analiza elektronowo-mikroskopowa zmian miażdżycowych wykazała również dużą zmienność w ultrastrukturalnym wyglądzie mitochondriów w ludzkich zmianach miażdżycowych aorty w porównaniu z wyglądem mitochondriów w prawidłowych częściach intimy aortalnej (Figura 1) . To skłoniło nas do postawienia hipotezy, że strukturalne różnice w wyglądzie mitochondriów mogą odzwierciedlać istnienie somatycznych mutacji w ludzkim genomie mitochondrialnym, które mogą być czynnikiem determinującym rozwój zmian miażdżycowych. Aby przetestować tę hipotezę, porównaliśmy poziomy heteroplazmii dla kilku mutacji mitochondrialnych, które wcześniej proponowano jako związane z różnymi typami zmian miażdżycowych. Homogenaty nieuszkodzonych intimae aorty i blaszek lipofibrylarnych ludzkich aort porównano w celu ujawnienia średniego poziomu heteroplazmii dla mutacji A1555G, C3256T, T3336T, G12315A, G14459A i G15059A ludzkiego genomu mitochondrialnego. Stwierdzono, że co najmniej cztery mutacje genomu mitochondrialnego, a mianowicie A1555G w genie MT-RNR1, C3256T w genie MT-TL1, G12315A w genie MT-TL2 i G15059A w genie MT-CYB, mają znacząco wyższą częstość występowania i średnią wartość w blaszkach miażdżycowych w porównaniu z intimą niemiażdżycową. Odkrycie, że mutacje somatyczne w genomie mitochondrialnym są związane z rozwojem miażdżycy, powinno zachęcać do dalszych badań nad koncepcją, że heteroplazmia mitochondrialnego DNA może być wykorzystana jako biomarker aterogenezy.
(a)
(b)
(c)
.
(d)
(e)
(f)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Różny wygląd ultrastrukturalny mitochondriów w intimie aorty ((a)-(f)). (a) Typowy wygląd mitochondrium w rażąco normalnej aorcie. (b) Mitochondrium z dobrze zdefiniowanymi cristae i dobrze zachowanymi błonami otaczającymi w blaszce lipofibrylarnej. ((c)-(f)) Warianty strukturalne i zmiany destrukcyjne cristae mitochondriów w blaszkach lipofibrylarnych. W ((c)-(f)) strzałkami zaznaczono tworzenie się wakuolopodobnych struktur w strefach obrzękowej macierzy mitochondriów. ((a)-(f)) Skale mikroskopii elektronowej = 200 nm (przedruk z Atherosclerosis; Sobenin et al. Changes of mitochondria in atherosclerosis: possible determinant in the pathogenesis of the disease 2013; 227 : 283-288 , za zgodą Elsevier).
7. Mitochondrialna kontrola jakości i starzenie się
Mitochondria posiadają szereg specyficznych enzymów, takich jak chaperony, proteazy i reduktaza metioniny, które służą do ponownego składania i eliminacji źle złożonych białek. W krótko żyjącym grzybie Podospora anserina, delecja mitochondrialnej proteazy PaLon1 zaangażowanej w kontrolę jakości białka prowadzi do znacznego skrócenia życia, podczas gdy nadekspresja PaLon1 nie wpłynęła na długowieczność grzyba, ale była związana z przedłużonym dobrym zdrowiem i poprawą funkcji mitochondriów. Mitochondrialna proteaza Lon jest odpowiedzialna za degradację utlenionych białek i sugeruje się, że jej downregulation przyczynia się do starzenia się i chorób związanych z wiekiem. Tak więc prawidłowa funkcja mitochondrialnego systemu kontroli jakości może być związana z długowiecznością lub przynajmniej wydłużać zdrowy okres życia.
Mitochondria przyczyniają się do komórkowego systemu kontroli jakości białek związanego z ubikwitynacją i zależną od proteazy degradacją nieuformowanych białek poprzez degradację białek cytozolowych zlokalizowanych w zewnętrznej błonie mitochondrialnej. Generalnie wykazano, że aktywność układu ubikwityna-proteaza zmniejsza się z wiekiem u ssaków. Jednakże ekspresja niektórych składników tego systemu, takich jak proteazy specyficzne dla ubikwityny i niektóre podjednostki proteasomu, jest zwiększona wraz z wiekiem, podczas gdy poziomy innych składników pozostają niezmienione lub zmniejszają się. W mięśniach starzejących się szczurów ekspresja białek związanych z proteasomami była zwiększona, a poziom proteasomów 26S był od 2 do 3 razy wyższy niż u dorosłych zwierząt. Istotnie, zależna od wieku aktywacja systemu ubikwityna-proteaza może przyczyniać się do nasilonej degradacji białek miofibrylarnych i związanej z wiekiem atrofii mięśni. Specyficzna rola degradacji białek związanych z mitochondriami w starzeniu nie jest do końca poznana i wymaga scharakteryzowania.
8. Wnioski
Jasne jest, że rola mitochondriów w starzeniu jest bardziej skomplikowana niż sugeruje to mitochondrialna teoria starzenia. Wiele zmian w funkcji, strukturze, dystrybucji i dynamice mitochondriów przyczynia się do starzenia się lub cech związanych z wiekiem. Badania na organizmach modelowych, takich jak drożdże, C. elegans, Drosophila i myszy wykazały, że zarówno tłumienie, jak i stymulowanie funkcji mitochondriów może wydłużać życie. Na przykład wykazano, że wyciszenie sygnalizacji mTOR związanej ze zwiększoną syntezą białek i wzrostem komórek zwiększa długowieczność u organizmów modelowych poprzez poprawę wydajności mitochondriów i lepsze zużycie energii. Rycina 2 przedstawia konsekwencje mechanizmów/czynników, przez które ograniczenie kalorii może poprawić funkcję mitochondriów, opóźnić starzenie się mitochondriów i zwiększyć długowieczność.
Mechanizmy, przez które ograniczenie kalorii może poprawić funkcję mitochondriów, opóźnić starzenie się mitochondriów i wydłużyć życie. Restrykcja kaloryczna (CR) uruchamia kilka szlaków, które mogą prowadzić do zwiększenia długowieczności poprzez stymulację funkcji mitochondriów. Pierwszy mechanizm obejmuje indukcję sirtuiny-1 (SIRT1), deacetylazy białkowej, która z kolei aktywuje koaktywator-α receptora aktywowanego proliferatorami peroksysomów (PGC-1α). PGC-1α jest czynnikiem transkrypcyjnym zaangażowanym w aktywację genów, których produkty biorą udział w biogenezie i oddychaniu mitochondrialnym. CR hamuje również sygnalizację mammalian target of rapamycin (mTOR), co wiąże się ze wzrostem aktywności białka wiążącego eukariotyczny czynnik inicjacji translacji 4E (4E-BP), które stymuluje translację genów kodujących mitochondrialne komponenty oddechowe. U C. elegans, CR aktywuje czynnik jądrowy-erytroid 2 związany z czynnikiem-2 (NRF2), który reguluje ekspresję kilku genów antyoksydacyjnych i dlatego może wydłużyć życie C. elegans poprzez redukcję stresu oksydacyjnego i poprawę oddychania mitochondrialnego.
W konsekwencji, ograniczenie kaloryczne (CR), które zwykle obejmuje spożywanie 20-40% mniej kalorii niż normalnie, zostało zasugerowane jako obiecująca interwencja w celu zwiększenia zarówno mediany, jak i maksymalnej długości życia u ludzi. W badaniu CR CALERIE opartym na 25% CR, wykazano, że pacjenci z CR mają mniej uszkodzeń mtDNA, większą zawartość mtDNA i zwiększoną ekspresję niektórych enzymów antyoksydacyjnych, co sugeruje, że CR poprawia funkcję mitochondriów i opóźnia starzenie się mitochondriów poprzez zmniejszenie stresu oksydacyjnego. U pacjentów z CR odnotowano wzrost ekspresji kilku białek zaangażowanych w biogenezę mitochondriów, takich jak PGC-1α, Tfam i SIRT1, w porównaniu z grupą kontrolną. Podsumowując, CR zmniejsza stres oksydacyjny i zwiększa biogenezę mitochondrialną w celu wytworzenia mitochondriów, które są bardziej wydajne w produkcji ATP, mają optymalną pojemność oksydacyjną i generują mniej ROS.
Trening fizyczny sam lub w połączeniu z CR może również stanowić skuteczną strategię opóźniania starzenia się mitochondriów i dysfunkcji związanych z wiekiem u ludzi poprzez mechanizmy stymulujące biogenezę mitochondrialną i pojemność oksydacyjną oraz poprawiające kontrolę jakości białek. Istnieją mocne dowody na to, że trening fizyczny może optymalizować funkcje mitochondriów u osób starszych. Wykazano, że ćwiczenia fizyczne w połączeniu z dietą niskowęglowodanową (glikogenową) zwiększają ekspresję PGC-1α i optymalizują zdolność oksydacyjną ludzkich mięśni szkieletowych. W badaniu CALERIE, połączenie CR z treningiem fizycznym spowodowało zmniejszenie szacowanego ryzyka chorób sercowo-naczyniowych, ważnej patologii związanej z wiekiem, o 38% w porównaniu z grupą kontrolną. Rzeczywiście, zwiększona aktywność fizyczna lub nawet po prostu przyjęcie nawyków aktywnego stylu życia może wyraźnie zmniejszyć tempo spadku mitochondriów i złagodzić fenotyp związany z wiekiem.
Konflikt interesów
Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów w związku z publikacją tej pracy.
Podziękowania
Autorzy pragną podziękować Ministerstwu Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej oraz School of Medical Sciences, University of New South Wales, Sydney za wsparcie ich pracy.