Abstrakt
Åldersrelaterade förändringar i mitokondrier är förknippade med försämrad mitokondriefunktion. Med stigande ålder minskar mitokondriernas DNA-volym, integritet och funktionalitet på grund av ackumulering av mutationer och oxidativ skada inducerad av reaktiva syrearter (ROS). Hos äldre personer kännetecknas mitokondrier av nedsatt funktion såsom sänkt oxidativ kapacitet, minskad oxidativ fosforylering, minskad ATP-produktion, betydande ökning av ROS-generering och minskat antioxidantförsvar. Mitokondriell biogenes minskar med åldern på grund av förändringar i mitokondriell dynamik och hämning av mitofagi, en autofagiprocess som avlägsnar dysfunktionella mitokondrier. Åldersberoende avvikelser i mitokondriernas kvalitetskontroll försvagar och försämrar mitokondriernas funktion ytterligare. I åldrade vävnader bidrar ökad mitokondriemedierad apoptos till en ökning av andelen apoptotiska celler. Genomförandet av strategier som kalorirestriktion och regelbunden fysisk träning kan dock fördröja det mitokondriella åldrandet och dämpa den åldersrelaterade fenotypen hos människor.
1. Introduktion
Mitokondriell dysfunktion, inklusive minskad oxidativ kapacitet och ökad oxidativ skada, anses bidra väsentligt till biologiskt åldrande. En grundläggande inverkan av mitokondrier på åldrande har föreslagits för flera decennier sedan. Ett koncept anser att åldrande är resultatet av en ackumulering av skador på biomolekyler på grund av överdriven produktion av mycket giftiga reaktiva syrearter (ROS). Detta koncept utvecklades som den mitokondriella teorin om åldrande eftersom mitokondrier är de största producenterna av ROS i cellen . Enligt denna teori ackumulerar mitokondrier med stigande ålder ROS-inducerade skador och blir dysfunktionella. Med tiden försämras cellernas funktion, vilket leder till åldrande och senare död. Detta koncept stöds av en växande mängd experimentella data från djurmodeller. Möss som utvecklats för att ha hög mutationsfrekvens i mitokondrie-DNA (mtDNA) (så kallade mtDNA-mutatormöss) uppvisade till exempel avancerade åldringsfenotyper . Å andra sidan har många nyligen genomförda studier också gett uppgifter som motsäger denna teori. Till exempel påverkade knockout av gener för superoxiddismutas inte livslängden hos Caenorhabditis elegans . Mitokondriernas roll i åldrandet verkar faktiskt vara mycket komplex.
Mitokondrier är subcellulära självstyrande organeller som i första hand ansvarar för energiproduktion och ATP-syntes. Dessutom spelar mitokondrier en viktig roll i aminosyra- och lipidmetabolismen och reglering av apoptos. Mitokondrier har ett eget DNA, men det kodar endast för 1 % av de cirka 1 000 mitokondriella proteinerna. En stor majoritet av mitokondriernas proteiner kodas av kärn-DNA och transporteras till mitokondrierna från cytoplasman. Mitokondrier kan ändra sitt antal och sin massa på grund av dynamiska processer som fission och mitofagi. Mitofagi är en specifik form av autofagi som krävs för att bryta ned dysfunktionella eller skadade mitokondrier .
I denna översikt tar vi kortfattat upp de viktigaste förändringarna i mitokondriernas funktion och dynamik som gör dem dysfunktionella och bidrar till åldrande.
2. Förändringar i mitokondrie-DNA vid åldrande
Den mitokondriella teorin om åldrande bygger på att mitokondrie-DNA (mtDNA) har en högre mutationsfrekvens och ett mindre effektivt reparationsmaskineri jämfört med kärn-DNA. Mutationsfrekvensen för mtDNA är upp till 15 gånger högre än för kärn-DNA . Ackumulering av mutationer i mtDNA kan nå en kritisk tröskel och orsaka negativa effekter, särskilt i mitokondrier där felaktigt fungerande eller skadade komponenter i andningskedjan måste ersättas. Mutationer i mtDNA som ändrar uttrycket av oxidativa fosforyleringskomplex (OxPhos) kan leda till mitokondriell dysfunktion och accelererad ROS-generering . Utvecklingen av mtDNA-mutatormusen, ett djur med muterat mtDNA-polymeras γ, belyste den starka potentialen för mtDNA-mutationer vid åldrande. Dessa möss hade en defekt mekanism i sin mtDNA proofreading under replikation och resulterade i generering av ett stort antal nya mutationer och utveckling av förtida åldrande fenotyper . Enligt begreppet ”ond cirkel” ackumuleras mtDNA-mutationer exponentiellt och bör vara förknippade med en markant ökning av ROS-produktionen . Experiment med mtDNA-mutatormöss har dock visat att ackumuleringen av mtDNA-mutationer under livstiden sker på ett linjärt sätt. Det fanns inga signifikanta förändringar i ROS-produktionen och aktiviteten hos antioxidativa enzymer hos mtDNA-mutatormöss jämfört med de normala djuren . Dessa resultat äventyrar faktiskt allvarligt teorin om den ”onda cirkeln” som föreslår att mtDNA-mutationer och försämrad OxPhos- men inte ROS-produktion är huvudansvariga för det för tidiga åldrandet hos mtDNA-mutatormöss.
På grund av den nära närheten till de ROS-producerande komponenterna i andningskedjan och avsaknaden av histoner är mtDNA dessutom mycket känsligt för oxidativa skador. I råtthepatocyter var mängden 8-hydroxydeoxyguanosin, en markör för oxidativ skada på DNA, 16 gånger högre i mtDNA än i kärn-DNA . I råttors skelettmuskler och lever observerades betydande åldersrelaterade minskningar av antalet kopior av mtDNA . Dessa resultat tyder på att mängden och integriteten av mtDNA kan minska med åldern och leda till avvikande uttryck av proteiner i elektrontransportkedjan, vilket försämrar mekanismen för OxPhos .
3. Mitokondriell ROS-produktion och åldrande
Elektrontransportkedjan, som är belägen i mitokondriemembranet i det inre mitokondriella membranet, består av fyra proteinkomplex och är kopplad till ATP-syntas, ett ATP-producerande enzym. ROS anses vara oönskade och giftiga biprodukter från det mitokondriella elektrontransportsystemet.
På grund av sin extrema reaktivitet verkar ROS vara en viktig mediator för åldersassocierade cellskador. ROS kan också fungera som signalmolekyler . Intressant nog kan låga doser av ROS faktiskt främja livslängden medan höga doser däremot förkortar livslängden hos C. elegans . En paradoxal ökning av livslängden observerades i mutanter med mitokondriell respiration hos C. elegans vid förhöjda ROS-nivåer. ROS visade sig aktivera hypoxiinducerad faktor-1 (HIF-1), en transkriptionsfaktor som förknippas med förlängd livslängd . Mild hämning av mitokondriell respiration har visat sig förlänga livslängden hos många arter som C. elegans, Drosophila och möss, vilket tyder på att en ökning av livslängden genom måttligt undertryckande av mitokondriell respiration är evolutionärt bevarad.
Antioxidativa enzymer som är involverade i ROS-inaktivering ger skydd mot oxidativ stress. Faktum är att defekter i aktiviteten hos mitokondriella antioxidativa enzymer kan öka den oxidativa stressen. Möss som innehåller en transgen av ett mitokondriellt antioxidantenzym som Mn-beroende superoxiddismutas (Mn-SOD) eller katalas visade ökad livslängd medan möss som saknar Mn-SOD dog i förtid i samband med allvarlig mitokondriell dysfunktion och neurodegeneration . Möss med brist på p66shc, ett protein som är involverat i mitokondriell ROS-produktion oberoende av OxPhos-mekanismen, uppvisade avancerad motståndskraft mot oxidativ stress och en ökning av livslängden med 30 % .
Enzymatiska förändringar kan påverka mitokondriell oxidativ kapacitet och ATP-syntes. Hos människor minskar ATP-produktionskapaciteten med 8 % per decennium . På samma sätt konstaterades äldre människor ha en 1,5-faldig minskning av den oxidativa kapaciteten per mitokondrievolym och en 1,5-faldig minskning per muskelvolym . Den åldersberoende nedgången i mitokondriefunktionen kan vara ett resultat av låg fysisk aktivitet, för när fysisk aktivitet jämförs mellan gamla och unga människor har man i de flesta studier inte funnit några signifikanta samband mellan ålder, mitokondriell andning och ATP-flöde .
4. Åldersberoende förändringar i mitokondriernas dynamik
Mitokondriernas dynamik omfattar mitokondriernas förflyttning längs cytoskelettet, regleringen av mitokondriernas arkitektur och konnektivitet som förmedlas av fusions/spaltningshändelser . Detta dynamiska nätverk är viktigt för att upprätthålla normala mitokondriella funktioner och deltar i grundläggande processer inklusive åldrande. Mitokondriell biogenes är expansionen av mitokondrier genom mekanismer som involverar tillväxt (ökning av mitokondriernas massa) och delning (ökning av antalet mitokondrier).
Med stigande ålder visade sig mitokondrietätheten i skelettmuskulaturen minska gradvis, vilket kan tyda på en minskning av mitokondriell biogenes. Nedgången i mitokondriell biogenes kan bero på en åldersberoende minskning av nivåerna av PGC-1α, en viktig regulator av biogenes . Hos åldrade möss var överuttryck av PGC-1α i skelettmusklerna förknippat med minskad sarkopeni och en förbättring av mitokondriefunktionen .
Den försämrade balansen mellan fissions- och fusionshändelser kan också vara relaterad till den åldersberoende minskningen av mitokondriell biogenes. Fission är viktig för att upprätthålla mitokondriernas kvalitet och integritet eftersom den är involverad i urvalet av dysfunktionella mitokondrier. Defekta mitokondrier fungerar inte korrekt och har en försämrad oxidativ kapacitet med en snedfördelning mot ökad ROS-produktion. Dessa mitokondrier avlägsnas selektivt av mitofagi, ett autofagi-lysosomsystem som bryter ned dysfunktionella mitokondrier genom fusion med lysosomer . Med stigande ålder observerades en minskning av mitofagin . Denna nedgång är förknippad med en ackumulering av skadade mitokondrier, avancerad oxidativ stress och ökad apoptos .
5. Mitokondriell apoptotisk väg och åldrande
Mitokondriemedierad apoptos induceras som svar på proapoptotiska stimuli eller vid allvarligt misslyckande i OxPhos. I korthet åtföljs en caspasberoende mekanism för mitokondriell apoptos av frisättning av cytokrom c och andra faktorer från mitokondrier, vilket sedan utlöser aktivering av en kaskad av irreversibla apoptotiska händelser som medieras av caspaserna. I den caspasoberoende vägen leder frisättningen av endonukleas G och apoptosinducerande faktor (AIF) från mitokondrier till nedbrytning av kärn-DNA .
Apoptos visade sig öka signifikant med åldern, vilket avspeglas av en åldersberoende ökning av andelen apoptotiska celler och en signifikant uppreglering av den caspasoberoende proapoptotiska vägen hos äldre råttor och äldre människor . Eftersom inga signifikanta förändringar i uttrycket av caspaser hos äldre personer observerades , är det osannolikt att den caspasberoende mekanismen aktiveras med hög ålder.
6. Genetiska och strukturella förändringar av mitokondrier i aterogenes
Höjande ålder är välkänt som en oberoende riskfaktor för utveckling av ateroskleros , och därför kan ateroskleros enligt en väletablerad synvinkel betraktas som en åldersrelaterad sjukdom . För tidigt eller påskyndat vaskulärt åldrande och ateroskleros kan vara förknippade med dysfunktion av mitokondrier .
Det är välkänt att i mänsklig patologi är ett antal sjukdomar förknippade med somatiska mutationer i det mitokondriella genomet (mtDNA) . Även om mitokondriell dysfunktion leder till ökad oxidativ stress har mitokondriella mutationers roll i ateroskleros hittills inte fått någon större uppmärksamhet . I en nyligen genomförd studie analyserade vi sambandet mellan mitokondriell genetisk variation och svårighetsgraden av ateroskleros i carotis (bedömd med hjälp av carotis intima-mediatjocklek (cIMT) och förekomsten av kranskärlssjukdom (CHD)) och fann att heteroplasma för flera mutationer i mtDNA i leukocyter , inklusive C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A och G15059A, var signifikant förknippade med både svårighetsgraden av ateroskleros i karotis och förekomsten av hjärtkärlsjukdom. Elektronmikroskopisk analys av aterosklerotiska lesioner har också avslöjat en hög variabilitet i det ultrastrukturella utseendet av mitokondrier i humana aortiska aterosklerotiska lesioner jämfört med utseendet av mitokondrier i de normala delarna av den aortiska intima (figur 1) . Detta fick oss att anta att de strukturella variationerna i mitokondriernas utseende skulle kunna återspegla förekomsten av somatiska mutationer i det mänskliga mitokondriella genomet, vilket skulle kunna vara avgörande för utvecklingen av aterosklerotiska lesioner . För att testa denna hypotes har vi jämfört nivåerna av heteroplasmi för flera mitokondriella mutationer som tidigare föreslagits vara förknippade med olika typer av aterosklerotiska lesioner . Homogenaten från opåverkade aortiska intimae och lipofibrösa plack från mänskliga aortor jämfördes för att avslöja den genomsnittliga nivån av heteroplasma för A1555G-, C3256T-, T3336T-, G12315A-, G14459A- och G15059A-mutationer i det humana mitokondriella arvsmassan . Det har visat sig att minst fyra mutationer i mitokondriegenomet, nämligen A1555G i MT-RNR1-genen, C3256T i MT-TL1-genen, G12315A i MT-TL2-genen och G15059A i MT-CYB-genen, har en signifikant högre prevalens och ett högre medelvärde i lipofibrösa plack jämfört med icke aterosklerotisk intima . Fynden att somatiska mutationer i det mitokondriella genomet är förknippade med utvecklingen av ateroskleros bör uppmuntra till ytterligare utforskning av konceptet att heteroplasma i mitokondrie-DNA skulle kunna användas som en biomarkör för aterogenes.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Differentierade ultrastrukturella utseenden av mitokondrier i aortisk intima ((a)-(f)). (a) Ett typiskt utseende av en mitokondrie i en grovt normal aorta. (b) En mitokondrion med väldefinierade cristae och välbevarade omgivande membran i ett lipofibröst plack. ((c)-(f)) Strukturella varianter och destruktiva förändringar av cristae hos mitokondrier i lipofibriska plack. I ((c)-(f)) visas bildandet av vakuolliknande strukturer i zoner med ödematös matrix av mitokondrier med pilar. ((a)-(f)) Elektronmikroskopisk skala = 200 nm (omtryckt från Atherosclerosis; Sobenin et al. Changes of mitochondria in atherosclerosis: possible determinant in the pathogenesis of the disease 2013; 227 : 283-288 , med tillstånd från Elsevier).
7. Mitokondriell kvalitetskontroll och åldrande
Mitokondrier har ett antal specifika enzymer såsom chaperoner, proteaser och metioninreduktas för att veckla om och eliminera felveckade proteiner. I den kortlivade svampen Podospora anserina leder deletion av det mitokondriella proteaset PaLon1 som är involverat i proteinkvalitetskontrollen till en signifikant förkortad livslängd, medan överuttryck av PaLon1 inte påverkade svampens livslängd, men förknippades med förlängd god hälsa och förbättrad mitokondriell funktion . Det mitokondriella proteaset Lon ansvarar för nedbrytning av oxiderade proteiner och dess nedreglering föreslås bidra till åldrande och åldersrelaterade sjukdomar . Således kan en korrekt funktion av det mitokondrieassocierade kvalitetskontrollsystemet vara förknippat med livslängd eller åtminstone förlänga den friska livslängden.
Mitokondrier bidrar till det cellulära systemet för proteinkvalitetskontroll som är förknippat med ubiquitinering och proteasberoende nedbrytning av oveckade proteiner genom att degradera cytosoliska proteiner som är lokaliserade vid det yttre mitokondriella membranet . Generellt sett har aktiviteten i ubiquitin-proteas-systemet visat sig minska med åldern hos däggdjur . Uttrycket av vissa komponenter i detta system, t.ex. ubiquitinspecifika proteaser och vissa proteasomunderenheter, ökar dock med åldern, medan nivåerna av andra komponenter förblir oförändrade eller minskar . I musklerna hos åldrade råttor ökade uttrycket av proteasomassocierade proteiner och nivåerna av 26S-proteasomerna visade sig vara 2- till 3-faldigt högre än hos vuxna djur. En åldersberoende aktivering av ubiquitinproteassystemet kan bidra till ökad nedbrytning av myofibrillära proteiner och åldersrelaterad muskelatrofi. Den specifika rollen för mitokondrieassocierad proteinnedbrytning vid åldrande är inte helt klarlagd och måste karakteriseras.
8. Slutsats
Det är uppenbart att en roll för mitokondrier vid åldrande är mer komplicerad än vad som antyds av den mitokondriella teorin om åldrande. Flera förändringar i mitokondriernas funktion, struktur, fördelning och dynamik bidrar till åldrande eller åldersrelaterade egenskaper. Studier i modellorganismer som jäst, C. elegans, Drosophila och möss har visat att både undertryckande och stimulering av mitokondriernas funktion kan förlänga livslängden. Till exempel har nedreglering av mTOR-signalering i samband med ökad proteinsyntes och celltillväxt visat sig öka livslängden i modellorganismer genom förbättrad mitokondriell effektivitet och bättre energiförbrukning . I figur 2 beskrivs konsekvensen av de mekanismer/faktorer genom vilka kalorirestriktion kan förbättra mitokondriefunktionen, fördröja mitokondriernas åldrande och förlänga livslängden.
Mekanismer genom vilka kalorirestriktion kan förbättra mitokondriefunktionen, fördröja mitokondriernas åldrande och öka livslängden. Kalorirestriktion (CR) utlöser flera vägar som kan leda till ökad livslängd via stimulering av mitokondriefunktionen. Den första mekanismen omfattar induktion av sirtuin-1 (SIRT1), ett proteindeacetylas som i sin tur aktiverar peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-α (PGC-1α). PGC-1α är en transkriptionsfaktor som är involverad i aktivering av gener vars produkter är involverade i mitokondriell biogenes och andning. CR hämmar också mammalian target of rapamycin (mTOR)-signalering som är förknippad med en ökning av aktiviteten hos eukaryotisk translationsinitieringsfaktor 4E-bindningsprotein (4E-BP) som stimulerar översättningen av gener som kodar för mitokondriella andningskomponenter. I C. elegans aktiverar CR kärnfaktor-erytroid 2-relaterad faktor-2 (NRF2) som reglerar uttrycket av flera antioxidantgener och kan därför förlänga C. elegans livslängd genom minskning av oxidativ stress och förbättring av mitokondriell respiration.
Som en följd av detta föreslogs kalorirestriktion (CR), som vanligen innebär att man förbrukar 20-40% mindre kalorier än normalt, som en lovande intervention för att öka både median och maximal livslängd hos människor . I en CR-studie CALERIE baserad på 25 % CR visade sig CR-patienter ha mindre mtDNA-skador, mer mtDNA-innehåll och ökat uttryck av vissa antioxidativa enzymer, vilket därför tyder på att CR förbättrar mitokondriefunktionen och fördröjer mitokondriernas åldrande genom att minska oxidativ stress. En ökning av uttrycket av flera proteiner som är involverade i mitokondriell biogenes, såsom PGC-1α, Tfam och SIRT1, rapporterades hos CR-patienter jämfört med kontroller . Sammanfattningsvis minskar CR oxidativ stress och förbättrar mitokondriell biogenes för att producera mitokondrier som är effektivare i ATP-produktion, har optimal oxidativ kapacitet och genererar mindre ROS.
Träning, ensamt eller i kombination med CR, kan också utgöra en effektiv strategi för att fördröja mitokondriellt åldrande och åldersrelaterad dysfunktion hos människor genom mekanismer som stimulerar mitokondriell biogenes och oxidativ kapacitet och förbättrar proteinkvalitetskontroll . Det finns starka bevis för att motionsträning kan optimera mitokondriefunktionen hos äldre personer . Träning i kombination med en kost med låg kolhydrathalt (glykogen) visade sig öka uttrycket av PGC-1α och optimera oxidationskapaciteten i mänsklig skelettmuskulatur . I CALERIE-studien resulterade en kombination av CR och motionsträning i en 38-procentig minskning av den uppskattade risken för kardiovaskulära sjukdomar, en viktig åldersassocierad patologi, jämfört med kontroller . Ökad fysisk aktivitet eller till och med att helt enkelt anta aktiva stilvanor kan tydligt minska hastigheten för mitokondriell nedbrytning och dämpa den åldersrelaterade fenotypen.
Interessentkonflikter
Författarna rapporterar inga intressekonflikter i samband med publiceringen av den här artikeln.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Ryska federationens ministerium för utbildning och vetenskap och School of Medical Sciences, University of New South Wales, Sydney, för stöd till deras arbete.