Abstract
Schimbările legate de vârstă în mitocondrii sunt asociate cu declinul funcției mitocondriale. Odată cu înaintarea în vârstă, volumul, integritatea și funcționalitatea ADN-ului mitocondrial scad din cauza acumulării de mutații și a leziunilor oxidative induse de speciile reactive de oxigen (ROS). La subiecții vârstnici, mitocondriile sunt caracterizate de o funcție afectată, cum ar fi scăderea capacității oxidative, reducerea fosforilării oxidative, scăderea producției de ATP, creșterea semnificativă a generării de ROS și diminuarea apărării antioxidante. Biogeneza mitocondrială scade odată cu înaintarea în vârstă din cauza alterării dinamicii mitocondriale și a inhibării mitofagiei, un proces de autofagie care elimină mitocondriile disfuncționale. Anomaliile dependente de vârstă în controlul calității mitocondriale slăbesc și mai mult și afectează funcția mitocondrială. În țesuturile îmbătrânite, apoptoza sporită mediată de mitocondrii contribuie la o creștere a procentului de celule apoptotice. Cu toate acestea, implementarea unor strategii precum restricția calorică și antrenamentul fizic regulat pot întârzia îmbătrânirea mitocondrială și atenua fenotipul legat de vârstă la om.
1. Introducere
Disfuncția mitocondrială, inclusiv scăderea capacității oxidative și creșterea daunelor oxidative, este considerată a contribui substanțial la îmbătrânirea biologică. Un impact fundamental al mitocondriilor asupra îmbătrânirii a fost sugerat cu câteva decenii în urmă. Un concept consideră că îmbătrânirea este rezultatul unei acumulări de deteriorări ale biomoleculelor din cauza producerii excesive de specii reactive de oxigen (ROS) extrem de toxice. Acest concept a fost dezvoltat sub denumirea de teoria mitocondrială a îmbătrânirii, deoarece mitocondriile sunt principalii producători de ROS din celulă . Conform acestei teorii, odată cu vârsta, mitocondriile acumulează daune induse de ROS și devin disfuncționale. Cu timpul, funcția celulelor se diminuează provocând îmbătrânirea și moartea ulterioară. Acest concept a fost susținut de un număr tot mai mare de date experimentale provenite de la modele animale. De exemplu, șoarecii dezvoltați pentru a avea rate ridicate de mutații în ADN-ul mitocondrial (ADNmt) (așa numiții șoareci mutatori de ADNmt) au prezentat fenotipuri avansate de îmbătrânire . Pe de altă parte, multe studii recente au furnizat, de asemenea, date care contrazic această teorie. De exemplu, knock-out-ul genelor superoxid dismutazei nu a afectat durata de viață a Caenorhabditis elegans . Într-adevăr, rolul mitocondriilor în îmbătrânire pare a fi foarte complex.
Mitocondriile sunt organite subcelulare autonome responsabile în principal pentru generarea de energie și sinteza ATP. Pe lângă aceasta, mitocondriile joacă un rol esențial în metabolismul aminoacizilor și al lipidelor și în reglarea apoptozei. Mitocondriile au propriul ADN; cu toate acestea, acesta codifică doar 1% din cele aproximativ 1.000 de proteine mitocondriale. Marea majoritate a proteinelor mitocondriale sunt codificate de ADN-ul nuclear și sunt transportate în mitocondrii din citoplasmă. Mitocondriile își pot modifica numărul și masa datorită proceselor dinamice, cum ar fi fisiunea și mitofagia. Mitofagia este o formă specifică de autofagie care este necesară pentru a degrada mitocondriile disfuncționale sau deteriorate .
În această trecere în revistă, analizăm pe scurt modificările majore ale funcției și dinamicii mitocondriilor care le fac disfuncționale și contribuie la îmbătrânire.
2. Modificări ale ADN-ului mitocondrial în îmbătrânire
Teoria mitocondrială a îmbătrânirii se bazează pe faptul că ADN-ul mitocondrial (ADNmt) are o rată mai mare de mutație și un mecanism de reparare mai puțin eficient în comparație cu ADN-ul nuclear. Rata de mutație a ADNmt este de până la 15 ori mai mare decât cea a ADN nuclear . Într-adevăr, acumularea de mutații în ADNmt poate atinge un prag critic și poate provoca efecte adverse, în special în mitocondrii în care trebuie înlocuite componente ale lanțului respirator care funcționează necorespunzător sau sunt deteriorate. Mutațiile în ADNmt care modifică expresia complexelor de fosforilare oxidativă (OxPhos) pot duce la disfuncții mitocondriale și la generarea accelerată de ROS . Dezvoltarea șoarecelui mutator de ADNmt, un animal cu polimeraza γ a ADNmt mutantă, a evidențiat potențialul puternic al mutațiilor ADNmt în îmbătrânire. Acești șoareci au avut un mecanism defectuos în proofreading-ul mtADN-ului în timpul replicării și a dus la generarea unui număr mare de noi mutații și la dezvoltarea unor fenotipuri de îmbătrânire prematură . Conform conceptului de „cerc vicios”, mutațiile ADNmt se acumulează exponențial și ar trebui să fie asociate cu o explozie marcantă a producției de ROS . Cu toate acestea, experimentele care implică șoareci mutatori de ADNmt au arătat o progresie liniară a acumulării de mutații ale ADNmt de-a lungul vieții. Nu au existat schimbări semnificative în producția de ROS și în activitatea enzimelor antioxidante la șoarecii cu mutații de ADNmt în comparație cu animalele normale . Într-adevăr, aceste constatări compromit serios teoria „cercului vicios” care sugerează că mutațiile ADNmt și afectarea OxPhos, dar nu producția de ROS, sunt responsabile în primul rând de îmbătrânirea prematură la șoarecii mutatori de ADNmt.
În plus, din cauza apropierii apropiate de componentele producătoare de ROS ale lanțului respirator și a absenței histonelor, ADNmt este foarte predispus la daune oxidative. În hepatocitele de șobolan, cantitatea de 8-hidroxideoxigozigozină, un marker al deteriorării oxidative a ADN-ului, a fost de 16 ori mai mare în mtADN decât în ADN-ul nuclear . În mușchii scheletici și în ficatul șobolanilor, s-au observat reduceri substanțiale legate de vârstă ale numărului de copii de ADNmt . Aceste constatări sugerează că cantitatea și integritatea ADNmt pot scădea odată cu vârsta și pot duce la exprimarea aberantă a proteinelor lanțului de transport al electronilor, afectând astfel mecanismul OxPhos .
3. Producția mitocondrială de ROS și îmbătrânirea
Lanțul de transport al electronilor situat în membrana mitocondrială internă este format din patru complexe proteice și este cuplat cu ATP sintetaza, o enzimă producătoare de ATP. ERO sunt considerați a fi subproduse nedorite și toxice ale sistemului mitocondrial de transport al electronilor.
Datorită reactivității lor extreme, ERO par a fi un mediator major al leziunilor celulare asociate cu vârsta. ROS pot acționa, de asemenea, ca molecule de semnalizare . În mod interesant, doze mici de ROS ar putea promova de fapt longevitatea, în timp ce doze mari, în schimb, scurtează durata de viață a C. elegans . O creștere paradoxală a longevității a fost observată la mutanții cu respirație mitocondrială ai C. elegans la niveluri ridicate de ROS. S-a demonstrat că ROS activează factorul-1 indus de hipoxie (HIF-1), un factor de transcripție asociat cu prelungirea duratei de viață . S-a demonstrat că inhibarea ușoară a respirației mitocondriale prelungește durata de viață la multe specii, cum ar fi C. elegans, Drosophila și șoarecii, sugerând că o creștere a longevității prin suprimarea moderată a respirației mitocondriale este conservată din punct de vedere evolutiv.
Enzimele antioxidante implicate în inactivarea ROS oferă protecție împotriva stresului oxidativ. Într-adevăr, defectele în activitatea enzimelor antioxidante mitocondriale pot crește stresul oxidativ. Șoarecii care conțin o transgene a unei enzime antioxidante mitocondriale, cum ar fi superoxid dismutaza dependentă de Mn (Mn-SOD) sau catalază, au prezentat o longevitate crescută, în timp ce șoarecii lipsiți de Mn-SOD au murit prematur, asociată cu disfuncție mitocondrială severă și neurodegenerare . Șoarecii deficitari în p66shc, o proteină implicată în producția mitocondrială de ROS independentă de mecanismul OxPhos, au prezentat o rezistență avansată la stresul oxidativ și o creștere a duratei de viață cu 30% .
Schimbările enzimatice pot afecta capacitatea oxidativă mitocondrială și sinteza ATP. La om, capacitatea de producere a ATP scade cu 8% pe deceniu . În mod similar, s-a constatat că persoanele în vârstă au o reducere de 1,5 ori a capacității oxidative pe volum mitocondrial și o reducere de 1,5 ori pe volum muscular . Scăderea dependentă de vârstă a funcției mitocondriale poate fi rezultatul unei activități fizice scăzute, deoarece atunci când activitatea fizică este comparată între persoanele în vârstă și cele tinere, majoritatea studiilor nu au reușit să găsească corelații semnificative între vârstă, respirația mitocondrială și fluxul ATP .
4. Modificări dependente de vârstă în dinamica mitocondrială
Dinamica mitocondrială include mișcarea mitocondriilor de-a lungul citoscheletului, reglarea arhitecturii mitocondriale și conectivitatea mediată de evenimentele de fuziune/fisiune . Această rețea dinamică este esențială pentru a menține funcțiile mitocondriale normale și participă la procese fundamentale, inclusiv la îmbătrânire. Biogeneza mitocondrială este expansiunea mitocondriilor prin mecanisme care implică creșterea (creșterea masei mitocondriale) și diviziunea (creșterea numărului de mitocondrii).
Cu vârsta înaintată, s-a demonstrat că densitatea mitocondrială în mușchii scheletici scade treptat și poate sugera o scădere a biogenezei mitocondriale. Scăderea biogenezei mitocondriale poate rezulta dintr-o reducere dependentă de vârstă a nivelurilor de PGC-1α, un regulator cheie al biogenezei . La șoarecii îmbătrâniți, supraexprimarea PGC-1α în mușchii scheletici a fost asociată cu reducerea sarcopeniei și cu o îmbunătățire a funcției mitocondriale .
Echilibrul deficitar între evenimentele de fisiune și fuziune poate fi, de asemenea, legat de declinul dependent de vârstă al biogenezei mitocondriale. Fisiunea este importantă pentru menținerea calității și integrității mitocondriale, deoarece este implicată în selectarea mitocondriilor disfuncționale. Mitocondriile defectuoase nu reușesc să funcționeze corect și au o capacitate oxidativă afectată, înclinată spre o producție crescută de ROS. Aceste mitocondrii sunt eliminate în mod selectiv prin mitofagie, un sistem autofagie-lizozom care degradează mitocondriile disfuncționale prin fuziune cu lizozomii . Odată cu vârsta, s-a observat că mitofagia scade . Acest declin este asociat cu o acumulare de mitocondrii deteriorate, un stres oxidativ avansat și o apoptoză crescută .
5. Calea apoptotică mitocondrială și îmbătrânirea
Apoptoza mediată de mitocondrie este indusă ca răspuns la stimuli proapoptotici sau în cazul unui eșec sever în OxPhos. Pe scurt, un mecanism de apoptoză mitocondrială dependentă de caspază este însoțit de eliberarea de citocrom c și de alți factori din mitocondrii, care declanșează apoi activarea unei cascade de evenimente apoptotice ireversibile mediate de caspaze. În calea independentă de caspază, eliberarea endonucleazei G și a factorului care induce apoptoza (AIF) de către mitocondrii duce la degradarea ADN-ului nuclear .
S-a demonstrat că apoptoza crește semnificativ odată cu vârsta, după cum se reflectă printr-o creștere dependentă de vârstă a procentului de celule apoptotice și o creștere semnificativă a căii proapoptotice independente de caspază la șobolanii bătrâni și la persoanele în vârstă . Deoarece nu au fost observate modificări semnificative în expresia caspaselor la subiecții în vârstă , este puțin probabil ca mecanismul dependent de caspaze să fie activat odată cu vârsta înaintată.
6. Alterări genetice și structurale ale mitocondriilor în aterogeneză
Creșterea vârstei este bine cunoscută ca un factor de risc independent pentru dezvoltarea aterosclerozei și, prin urmare, conform unui punct de vedere bine stabilit, ateroscleroza poate fi considerată o boală a îmbătrânirii . Îmbătrânirea vasculară prematură sau accelerată și ateroscleroza pot fi asociate cu disfuncția mitocondriilor .
Este bine cunoscut faptul că, în patologia umană, o serie de boli sunt asociate cu mutații somatice în genomul mitocondrial (ADNmt) . Chiar dacă disfuncția mitocondrială duce la creșterea stresului oxidativ, rolul mutațiilor mitocondriale în ateroscleroză nu a primit prea multă atenție până în prezent . Într-un studiu recent am analizat asocierea variației genetice mitocondriale cu severitatea aterosclerozei carotidiene (evaluată prin grosimea intima-media carotidiană (cIMT) și prezența bolii coronariene (CHD)) și am constatat că heteroplasmia pentru mai multe mutații ale ADNmt în leucocite, inclusiv mutațiile C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A și G15059A, au fost asociate în mod semnificativ atât cu severitatea aterosclerozei carotide, cât și cu prezența bolii coronariene . Analiza microscopică electronică a leziunilor aterosclerotice a evidențiat, de asemenea, o mare variabilitate a aspectului ultrastructural al mitocondriilor în leziunile aterosclerotice aortice umane în comparație cu aspectul mitocondriilor în părțile normale ale intimei aortice (figura 1) . Acest lucru ne-a determinat să emitem ipoteza că variațiile structurale ale aspectului mitocondriilor ar putea reflecta existența unor mutații somatice în genomul mitocondrial uman, care ar putea fi un factor determinant al dezvoltării leziunilor aterosclerotice . Pentru a testa această ipoteză, am comparat nivelurile de heteroplasmie pentru mai multe mutații mitocondriale propuse anterior ca fiind asociate cu diferite tipuri de leziuni aterosclerotice . Omogenatele de intime aortice neafectate și plăcile lipofibroase ale aortelor umane au fost comparate pentru a dezvălui nivelul mediu de heteroplasmie pentru mutațiile A1555G, C3256T, T3336T, G12315A, G14459A și G15059A ale genomului mitocondrial uman . S-a constatat că cel puțin patru mutații ale genomului mitocondrial, și anume, A1555G în gena MT-RNR1, C3256T în gena MT-TL1, G12315A în gena MT-TL2 și G15059A în gena MT-CYB, au o prevalență și o valoare medie semnificativ mai mare în plăcile lipofibroase în comparație cu intima neaterosclerotică . Constatările conform cărora mutațiile somatice în genomul mitocondrial sunt asociate cu dezvoltarea aterosclerozei ar trebui să încurajeze explorarea în continuare a conceptului că heteroplasmia ADN-ului mitocondrial ar putea fi utilizată ca biomarker al aterogenezei.
(a)
(b)
(c)
.
(d)
(e)
(f)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Diferite aspecte ultrastructurale ale mitocondriilor din intima aortică ((a)-(f)). (a) Aspectul tipic al unei mitocondrii într-o aortă grosier normală. (b) O mitocondrie cu criste bine definite și membrane înconjurătoare bine conservate într-o placă lipofibroasă. ((c)-(f)) Variante structurale și alterări distructive ale cristei mitocondriilor din plăcile lipofibroase. În ((c)-(f)), formarea de structuri asemănătoare vacuolelor în zonele de matrice edematoasă a mitocondriilor este evidențiată prin săgeți. ((a)-(f)) Scări de microscopie electronică = 200 nm (retipărit din Atherosclerosis; Sobenin et al. Changes of mitochondria in atherosclerosis: possible determinant in the pathogenesis of the disease 2013; 227 : 283-288 , cu permisiunea Elsevier).
7. Controlul calității mitocondriale și îmbătrânirea
Mitocondriile au un număr de enzime specifice, cum ar fi chaperonii, proteazele și metionina reductaza, pentru a replia și elimina proteinele prost pliate. La ciuperca cu viață scurtă Podospora anserina, deleția proteazei mitocondriale PaLon1 implicată în controlul calității proteinelor duce la o durată de viață semnificativ mai scurtă, în timp ce supraexprimarea PaLon1 nu a afectat longevitatea ciupercii, dar a fost asociată cu o sănătate bună prelungită și o funcție mitocondrială îmbunătățită . Proteaza mitocondrială Lon este responsabilă pentru degradarea proteinelor oxidate și se sugerează că downreglarea sa contribuie la îmbătrânire și la bolile legate de vârstă . Astfel, buna funcționare a sistemului de control al calității asociat mitocondriilor poate fi asociată cu longevitatea sau cel puțin să prelungească durata de viață sănătoasă.
Mitocondriile contribuie la sistemul celular de control al calității proteinelor asociat cu ubiquitinarea și degradarea dependentă de protează a proteinelor desfășurate prin degradarea proteinelor citosolice situate la nivelul membranei mitocondriale externe . În general, s-a demonstrat că activitatea sistemului ubiquitină-protează scade odată cu vârsta la mamifere . Cu toate acestea, expresia unor componente ale acestui sistem, cum ar fi proteazele specifice ubiquitinei și anumite subunități ale proteazomului, este crescută odată cu îmbătrânirea, în timp ce nivelurile altor componente rămân neschimbate sau scad . În mușchii șobolanilor îmbătrâniți, expresia proteinelor asociate proteazomului a crescut, iar nivelurile proteazomilor 26S s-au dovedit a fi de 2 până la 3 ori mai mari decât cele ale animalelor adulte. Într-adevăr, activarea dependentă de vârstă a sistemului ubiquitină-protează poate contribui la degradarea sporită a proteinelor miofibrilare și la atrofia musculară legată de vârstă. Rolul specific al degradării proteinelor asociate mitocondriilor în îmbătrânire nu este complet înțeles și trebuie să fie caracterizat.
8. Concluzii
Este clar că un rol al mitocondriilor în îmbătrânire este mai complicat decât sugerează teoria mitocondrială a îmbătrânirii. Modificări multiple ale funcției, structurii, distribuției și dinamicii mitocondriale contribuie la îmbătrânire sau la caracteristicile legate de vârstă. Studiile efectuate pe organisme model, cum ar fi drojdia, C. elegans, Drosophila și șoarecii, au arătat că atât suprimarea, cât și stimularea funcției mitocondriale pot prelungi durata de viață. De exemplu, s-a demonstrat că reglarea în jos a semnalizării mTOR, asociată cu sinteza îmbunătățită a proteinelor și creșterea celulară, crește longevitatea la organismele model prin îmbunătățirea eficienței mitocondriale și un mai bun consum de energie . Figura 2 prezintă consecințele mecanismelor/factorilor prin care restricția calorică poate îmbunătăți funcția mitocondrială, întârzia îmbătrânirea mitocondrială și extinde longevitatea.
Mecanismele prin care restricția calorică poate îmbunătăți funcția mitocondrială, întârzia îmbătrânirea mitocondrială și extinde longevitatea. Restricția calorică (RC) declanșează mai multe căi care pot duce la creșterea longevității prin stimularea funcției mitocondriale. Primul mecanism include inducerea sirtuinei-1 (SIRT1), o proteină deacetilază care, la rândul său, activează coactivatorul peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-α (PGC-1α). PGC-1α este un factor de transcripție implicat în activarea genelor ai căror produși sunt implicați în biogeneza și respirația mitocondrială. CR inhibă, de asemenea, semnalarea ținta mamiferelor de rapamicină (mTOR) asociată cu o creștere a activității factorului de inițiere a traducerii eucariote 4E binding protein (4E-BP) care stimulează traducerea genelor care codifică componentele respiratorii mitocondriale. La C. elegans, CR activează factorul nuclear-eritroid 2-related factor-2 (NRF2) care reglează expresia mai multor gene antioxidante și, prin urmare, poate prelungi durata de viață a C. elegans prin reducerea stresului oxidativ și îmbunătățirea respirației mitocondriale.
În consecință, restricția calorică (CR) care, de obicei, implică un consum de calorii cu 20-40% mai mic decât în mod normal a fost sugerată ca o intervenție promițătoare pentru a crește atât durata de viață mediană, cât și cea maximă la om . Într-un studiu de CR CALERIE bazat pe o CR de 25%, s-a demonstrat că pacienții cu CR au prezentat mai puține leziuni ale ADNmt, un conținut mai mare de ADNmt și o expresie crescută a unor enzime antioxidante, sugerând astfel că CR îmbunătățește funcția mitocondrială și întârzie îmbătrânirea mitocondrială prin reducerea stresului oxidativ. Creșterea expresiei mai multor proteine implicate în biogeneza mitocondrială, cum ar fi PGC-1α, Tfam și SIRT1, a fost raportată la pacienții cu CR în comparație cu controalele . În concluzie, CR reduce stresul oxidativ și îmbunătățește biogeneza mitocondrială pentru a produce mitocondrii care sunt mai eficiente în producția de ATP, au o capacitate oxidativă optimă și generează mai puține ROS.
Antrenamentul de exerciții fizice singur sau în combinație cu CR poate reprezenta, de asemenea, o strategie eficientă pentru a întârzia îmbătrânirea mitocondrială și disfuncția legată de vârstă la om prin mecanisme care stimulează biogeneza mitocondrială și capacitatea oxidativă și îmbunătățesc controlul calității proteinelor . Există dovezi solide că antrenamentul fizic poate optimiza funcția mitocondrială la persoanele în vârstă . S-a demonstrat că exercițiul fizic, combinat cu o dietă săracă în carbohidrați (glicogen), crește expresia PGC-1α și optimizează capacitatea oxidativă a mușchilor scheletici umani . În cadrul studiului CALERIE, combinarea CR cu antrenamentul pentru exerciții fizice a dus la o reducere cu 38% a riscului estimat de boli cardiovasculare, o patologie importantă asociată vârstei, în comparație cu martorii . Într-adevăr, creșterea activității fizice sau chiar și simpla adoptare a unor obiceiuri de stil activ poate reduce în mod clar rata declinului mitocondrial și atenua fenotipul legat de vârstă.
Conflict de interese
Autorii nu raportează niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.
Recunoștințe
Autorii doresc să mulțumească Ministerului Educației și Științei al Federației Ruse și Școlii de Științe Medicale, Universitatea din New South Wales, Sydney, pentru sprijinul acordat activității lor.
.