التنبؤ بالسلوك الديناميكي للميتوكوندريا في الأمراض التنكسية العصبية المحددة وراثيا - الجزء 3

الميتوكوندريا ليست غير طبيعية في جميع أمراض التنكس العصبي الوراثية، كما أن خلل ديناميكية الميتوكوندريا ليس بالضرورة أحد مكونات جميع حالات التنكس العصبي التي تظهر تشوهات في الميتوكوندريا.

الميتوكوندريا هي عضو في الخلايا مسؤول بشكل رئيسي عن إنتاج الطاقة والتمثيل الغذائي للخلايا في الخلايا. في السنوات الأخيرة، وجدت الدراسات أن تشوهات الميتوكوندريا قد تكون مرتبطة بفقدان الذاكرة. ومع ذلك، لا ينبغي لنا أن نقلق كثيرًا بشأن الآثار السلبية لتشوهات الميتوكوندريا، لأن العلوم والتكنولوجيا الحديثة أصبحت أكثر تقدمًا، ويمكننا منع حدوث تشوهات الميتوكوندريا من خلال الطرق والمنتجات الصحية المختلفة في دورة الحياة.

وجدت دراسة أن تشوهات الميتوكوندريا قد تكون مرتبطة بفقدان الذاكرة لدى كبار السن. وذلك لأن تلف الميتوكوندريا يمكن أن يسبب تلفًا عصبيًا وموت الخلايا، مما يؤثر على الوظيفة الطبيعية للخلايا العصبية في الدماغ ويؤدي إلى ضعف الذاكرة والإدراك. ومع ذلك، هذا لا يعني أن تشوهات الميتوكوندريا هي السبب الجذري لفقدان الذاكرة، لأن فقدان الذاكرة قد يكون أيضًا ناجمًا عن عوامل أخرى، مثل سوء التغذية وتلف الدماغ والشيخوخة وما إلى ذلك.

ولمنع تشوهات الميتوكوندريا، يمكننا تحسين صحتنا عن طريق تغيير نمط حياتنا ونظامنا الغذائي. على سبيل المثال، يمكن للتمرين اليومي والتمرين المناسب أن يعزز إنتاج الميتوكوندريا، ويحسن مستوى التمثيل الغذائي في الجسم، ويحافظ على الصحة البدنية، ويحسن الذاكرة. وبالإضافة إلى ذلك، النظام الغذائي هو أيضا عامل مهم. يجب أن يكون لدينا نظام غذائي منتظم، وتناول المزيد من الأطعمة المغذية مثل الفواكه والخضروات والحبوب، والانتباه إلى تجنب الأطعمة التي تحتوي على نسبة عالية من السكر والدهون.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الأدوية المستهدفة لحماية الميتوكوندريا باعتدال. توجد بالفعل بعض الأدوية التي تستهدف الميتوكوندريا في السوق، مثل مدرات البول، وأدوية سكر الدم، والمكملات الغذائية، وما إلى ذلك.

باختصار، ترتبط شذوذات الميتوكوندريا بفقدان الذاكرة، لكن لا ينبغي لنا أن نقلق كثيرًا لأننا نستطيع حماية الميتوكوندريا، وتحسين الصحة البدنية، وتحسين الذاكرة عن طريق تغيير نمط حياتنا، ونظامنا الغذائي، واستخدام المكملات الصحية. دعونا نعمل بنشاط على منع وتحسين تشوهات الميتوكوندريا للحفاظ على جسم صحي وعقل حاد. يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى تحسين الذاكرة، ويمكن لـ Cistanche تحسين الذاكرة بشكل كبير لأنه يمكنه أيضًا تنظيم توازن الناقلات العصبية، مثل زيادة مستويات الأسيتيل كولين وعوامل النمو، وهي مهمة جدًا للذاكرة والتعلم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ Cistanche أيضًا تحسين تدفق الدم وتعزيز توصيل الأكسجين، مما يضمن حصول الدماغ على التغذية والطاقة الكافية، وبالتالي تحسين حيوية الدماغ والقدرة على التحمل.

انقر فوق معرفة المكملات الغذائية لتحسين الذاكرة

على سبيل المثال، تم وصف التشوهات الأيضية في خرف الزهايمر [73]، وهو مرض ذو مسببات غير مؤكدة ومعقدة يرتبط بتكوين رواسب خارج الخلية من الببتيد الأميلويد والتشابك الليفي العصبي لبروتين تاو الأنبوبي الدقيق [74].

إن عيوب الميتوكوندريا المبلغ عنها، والتي تشمل تجزئة العضيات، متنوعة وغير متناسقة [73،75].

إن النطاق الهائل لتشوهات الميتوكوندريا المختلفة الموصوفة في مرض الزهايمر يدحض الاستنتاجات حول ما إذا كانت تساهم بطريقة ذات معنى في المرض الأساسي، أو أنها إلى حد كبير نتيجة له.

على النقيض من ذلك، فإن مرض باركنسون الوراثي هو مرض الميتوكوندريا، حيث أن الأشكال الجينية الأكثر شيوعًا لمرض باركنسون ترتبط بطفرات الجينات التي تشفر الميتوكوندريا PINK1 كيناز (PARK6) الذي يبدأ عملية الميتوفاجي، وكذلك بروتين المستجيب الرئيسي للميتوكوندريا، باركين (PARK2) [76] .

مرة أخرى، تم الإبلاغ عن تجزئة الميتوكوندريا في بعض، ولكن ليس كل، أوصاف مرض باركنسون [77]، على الأرجح بسبب عدم التجانس والمسببات متعددة العوامل.

أخيرًا، يعتبر رنح فريدريك/التنكس المخيخي الشوكي مرضًا تنكسًا عصبيًا بشكل لا لبس فيه مع مسببات الميتوكوندريا؛ العيب الوراثي الجسدي المتنحي موجود في جين FXN الذي يشفر بروتين الميتوكوندريا المرتبط بالحديد، فراتاكسين.

إن الحمل الزائد لحديد الميتوكوندريا في رنح فريدريك يقوض تكوين ATP بواسطة سلسلة نقل الإلكترون ويثير عملية ROS مفرطة [78،79]. ليس من الواضح ما إذا كان الخلل الديناميكي في الميتوكوندريا يساهم في هذا المرض أو حتى أنه موجود فيه [80].

تؤكد الأنماط الظاهرية للميتوكوندريا المتغيرة في الأمراض التنكسية العصبية وعدم اليقين فيما يتعلق بالتأثير الفيزيولوجي المرضي لديناميات الميتوكوندريا غير الطبيعية على الحاجة إلى منصات تحليلية ذات صلة مباشرة بالمرضى من الأفراد.

4. تقييم ديناميات الميتوكوندريا

إن الدليل الأكثر وضوحًا الذي تم الحصول عليه بسهولة على خلل ديناميكية الميتوكوندريا هو مورفولوجيا الميتوكوندريا غير الطبيعية في الصور الثابتة للخلايا الحية أو الثابتة، والتي يتم تصويرها عادةً باستخدام فلوروفور خاص بالميتوكوندريا.

الشذوذ الهيكلي للميتوكوندريا الأكثر شيوعًا هو "التجزئة" أو التقصير الهيكلي للعضيات، ويتم قياسه بشكل تقليدي ومريح على أنه انخفاض نسبة العرض إلى الارتفاع (الطول / العرض) [81،82].

على الرغم من أن نسبة أبعاد الميتوكوندريا "الطبيعية" تعتمد على نوع الخلية والحالة الفسيولوجية [83]، إلا أن قياسها بسيط من الناحية النظرية والتقنية.

وبالتالي، فإن الانخفاض في نسبة أبعاد الميتوكوندريا التي لوحظت في الصور عالية الدقة (انخفاض الطول/العرض أو التقصير) يعكس عادةً زيادة نسبية في انشطار الميتوكوندريا إلى اندماج ("التجزئة")، في حين أن الزيادة في نسبة العرض إلى الارتفاع ("الاستطالة") تعكس زيادة في الانصهار نسبة إلى الانشطار. ومع ذلك، فإن نسبة العرض إلى الارتفاع المتغيرة لا تكشف عن السبب الكامن وراء خلل الديناميكية، أي ما إذا كان اختلال التوازن الديناميكي هو نتيجة الانشطار المتغير، أو الاندماج، أو كليهما.

علاوة على ذلك، فإن تجزئة الميتوكوندريا في الخلايا التي لها شبكات ميتوكوندريا مترابطة، مثل الخلايا الليفية، يمكن أن يكون مكونًا طبيعيًا للانقسام الفتيلي وموت الخلايا المبرمج [6].

أخيرًا، الميتوكوندريا القصيرة أو الكروية أو "المجزأة" هي القاعدة في خلايا العضلات المخططة والمحاوير العصبية [7،8،83]. من الأفضل الكشف عن طبيعة اندماج الميتوكوندريا/اختلال التوازن الانشطاري عن طريق التصوير الخلوي الحي، باستخدام إما فلوروفور ميتوكوندريا واحد ( على سبيل المثال، Mitotracker Red، Green، أو Orange)، الخلايا المندمجة التي تعبر عن بروتينات الفلورسنت المختلفة التي تستهدف الميتوكوندريا (على سبيل المثال، Mito-GFP وMito-RFP)، أو فلوروفور الميتوكوندريا القابل للتبديل بالصور (على سبيل المثال، MitoDendra).

عند استخدام فلوروفور واحد، يمكن للفحص المجهري متحد البؤر بالفيديو توثيق أحداث اندماج الميتوكوندريا وانشطارها [82].

عندما يتم دمج مجموعات مختلفة من الخلايا التي تعبر عن GFP أو RFP المستهدفة بالميتوكوندريا مع البولي إيثيلين جلايكول، يصبح من الممكن قياس محتوى الميتوكوندريا المختلط من الاندماج كدالة للوقت [84].

هذا النهج نفسه أسهل باستخدام ميتو-ديندرا القابل للتحويل الضوئي [85]، مما يتيح لمجموعة فرعية من الميتوكوندريا داخل الخلايا محل الاهتمام أن يتم تبديل صورها من التألق الأخضر إلى الأحمر، ومصير الميتوكوندريا الفردية (أي ما إذا كانت تندمج أو تخضع للانشطار) ، أو يتم نقلها داخل الخلية) ليتم تقييمها مع مرور الوقت.

ومع ذلك، فإن نهج تبديل الصور يتطلب معدات خاصة ويقتصر على إنتاجية العينة.

على الرغم من أنه من الممكن أن نستنتج من الصور الثابتة التسلسلية للميتوكوندريا ذات العلامات التفاضلية أن المجموعات السكانية الفرعية يتم نقلها داخل الخلايا، إلا أن التقييم الكمي التفصيلي للنسبة كسرعة الميتوكوندريا المتحركة يتطلب فحصًا مجهريًا بالفيديو بفاصل زمني في الخلايا الحية أو الأنسجة مع توليد كيموغرافات [{{ 1}}].

وجد مختبرنا أن هذا ممكن عند تطبيقه على كل من المستحضرات المختبرية وخارج الجسم الحي. علاوة على ذلك، كما هو موضح أدناه، يتم تطبيق هذه التقنيات بسهولة إما على الخلايا العصبية للفأر التي يتم التلاعب بها وراثيا أو الخلايا المشتقة من المريض [25،57].

5. الخلايا الليفية الأولية المشتقة من المريض تظهر اختلالات مرتبطة بالأمراض في انشطار/اندماج الميتوكوندريا

لقد كان من الصعب ابتكار منصة بحث مثالية لتقييم اندماج الميتوكوندريا غير الطبيعي وانشطارها وحركتها فيما يتعلق بعلاقتها بأمراض التنكس العصبي البشرية.

بديهيًا، يبدو أن الخلايا العصبية ستكون أفضل نظام، ولكن من الصعب الحصول على الخلايا العصبية الأولية المصابة بالمرض، وغالبًا ما تفقد الخلايا العصبية المشتقة من iPSC الخصائص الأساسية للمرض السريري [87،88].

تم تحديد العلاقات بين الشذوذ الوراثي الأساسي والنمط الظاهري للميتوكوندريا على نطاق واسع باستخدام أساليب خروج الجينات بالماوس.

يعد استئصال الخط الجرثومي لـ Mfn1 أو Mfn2 مميتًا جنينيًا [89]، لكن الخلايا الليفية المشتقة من أجنة الفئران كشفت أن اندماج الميتوكوندريا الضعيف الناجم عن حذف Mfn1 أو Mfn2 ينتج عنه تجزئة الميتوكوندريا من خلال انشطار الميتوكوندريا دون معارضة؛ يعد الضعف الوظيفي الذي يتم قياسه على أنه فقدان استقطاب الغشاء الداخلي نتيجة أخرى لخلل في تبادل محتوى الميتوكوندريا [90].

عند ربط تشوه الميتوكوندريا بالأسباب الوراثية الكامنة، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار الاختلافات بين استئصال الجينات الذي يلغي التعبير عن البروتين المشتبه به وهو نهج تجريبي قياسي لدراسة فقدان الوظيفة الجينية، مقابل طفرات فقدان الوظيفة التي تحدث بشكل طبيعي حيث يتم التعبير عن بروتين مختل وظيفيًا ويمكن أن يحدث ذلك. ممارسة التأثيرات القمعية المهيمنة.

وبالتالي، فإن الاستئصال المتغاير الزيجوت لجين Mfn2 جيد التحمل في الفئران [89]، في حين أن غالبية المرضى الذين يعانون من CMT2A لديهم أليل MFN2 متحول واحد يثير تنكسًا عصبيًا تقدميًا مبكرًا [53،55]. ويعزى هذا الاختلاف إلى القمع السائد لعمل MFN1 وMFN2 الطبيعي بواسطة أليل متحول واحد، مما يضخم عواقبه الوظيفية [55-57].

وبناءً على ذلك، فإن التعبير المعدل وراثيًا لطفرات CMT2A البشرية في الفئران يلخص بعض الأنماط الظاهرية العصبية لـ CMT2 [57،91]. ومع ذلك، فإن التثبيط السائد للميتوفوسينات الطبيعية ليس هو التفسير الوحيد الممكن للاختلافات بين تعطيل الجينات وتأثيرات طفرات فقدان الوظيفة الواضحة: استئصال الجينات المتماثلة Mfn2 (أو Mfn1) في الفئران لا يحفز التنكس العصبي؛ إنه يثير الفتك الجنيني المبكر [89].

وبالتالي، فإن تغيير جرعة الجين MFN2 عن طريق "الضربة القاضية" التجريبية ليس هو نفسه التعبير عن طفرة MFN2missense.

في الواقع، قد يكون هذا مبدأ بيولوجيًا عامًا حيث أن ضربة الجينات في نماذج ذبابة الفاكهة هي معالجة مباشرة لا تؤدي إلى نفس كمية أو حجم الاستجابات التعويضية كتعبير عن الطفرات الجينية [92].

تدعم الملاحظات المذكورة أعلاه استخدام الخلايا المشتقة من المريض التي تحمل طفرات أصلية منتجة للمرض، بدلاً من الخلايا المعطلة لجينات الفأر، من أجل التقييم الاستقصائي للأنماط الظاهرية للميتوكوندريا المرتبطة بالمرض.

ومع ذلك، فإن تلخيص شذوذات الميتوكوندريا النموذجية في الخلايا الليفية المشتقة من المريض كان غير متناسق.

في المقالة المصاحبة [93]، نوضح كيف يمكن استحضار الأنماط الظاهرية للميتوكوندريا عن طريق الضغط الأيضي في الخلايا الليفية الجلدية للمريض من بعض أمراض التنكس العصبي الوراثية، ولكن ليس كلها.

علاوة على ذلك، نقدم بيانات تدعم استخدام الخلايا المشتقة من المريض كمنصات للفحص الفردي للعلاجات الموجهة بالميتوكوندريا.

6. الملخص والاستنتاجات

ديناميكية الميتوكوندريا موجودة في كل مكان، لكن المعدلات النسبية وأهمية اندماج الميتوكوندريا وانشطارها وحركتها تختلف وفقًا لمورفولوجيا الخلية ومتطلبات التمثيل الغذائي.

وبالتالي، فإن الخلايا العصبية ذات المتطلبات الأيضية العالية والمحاور الطويلة لها خصائص ديناميكية فريدة وتكون عرضة بشكل خاص للخلل الوظيفي الديناميكي. من الصعب تقييم الأنماط الظاهرية للميتوكوندريا في أمراض التنكس العصبي البشرية لأن الخلايا العصبية البشرية ليست متاحة بسهولة.

تُظهر البيانات السابقة والمصاحبة أنه يمكن تحفيز الخلايا الليفية الجلدية البشرية المزروعة لإظهار أنماط اندماج الميتوكوندريا المرتبطة بأمراض التنكس العصبي عن طريق إجبار استقلاب الميتوكوندريا من خلال المناورة البسيطة المتمثلة في استبدال الجلوكوز بالجلوكوز في وسط الاستنبات.

علاوة على ذلك، يمكن إعادة برمجة نفس الخلايا الليفية مباشرة إلى خلايا عصبية تحتفظ بالتشوهات المميزة للميتوكوندريا، بما في ذلك خلل الحركة، وهو أفضل ما يمكن قياسه في المحاور العصبية.

نقترح أن تكامل هذه المنصات مع نماذج الفأر الجيني، كما هو موضح في الشكل 4، قد يكون وسيلة فعالة لتقييم العلاجات المرشحة في العديد من الحالات التنكسية العصبية الوراثية التي تظهر تشوهات الميتوكوندريا المميزة، أو لمرضى مختلفين لنهج الطب الشخصي.

مساهمات المؤلف: التصور، GWDII؛ إعداد المسودة الأصلية للكتابة، GWDII؛ مراجعة الكتابة والتحرير، GWDII وXD؛ الإشراف، GWDII؛ الحصول على التمويل، GWDII. لقد قرأ جميع المؤلفين النسخة المنشورة من المخطوطة ووافقوا عليها.

التمويل: تم تمويل هذا البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة R35135736، R42NS115184، ومنحة بحثية من جمعية الحثل العضلي. تم تمويل APC من قبل المعاهد الوطنية للصحة R35135736.

بيان مجلس المراجعة المؤسسية: لا ينطبق.

بيان الموافقة المستنيرة: لا ينطبق.

بيان توفر البيانات: لا ينطبق.

تضارب المصالح: GWD هو أستاذ فيليب وسيما ك. نيدلمان في جامعة واشنطن في سانت لويس وحائز على جائزة الباحث المبتكر السابق من معهد هارينجتون ديسكفري.

GWD هو مخترع براءات الاختراع الصادرة والمعلقة المملوكة لجامعة واشنطن في سانت لويس وشركة Mitochondria Emotion, Inc. التي تغطي منشطات الميتوفوسين الجزيئية الصغيرة، وهو مؤسس شركة Mitochondria in Motion, Inc.، وهي شركة أبحاث وتطوير في مجال التكنولوجيا الحيوية مقرها سانت لويس تركز على تعزيز الاتجار بالميتوكوندريا واللياقة البدنية في الأمراض التنكسية العصبية.

لم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة؛ في جمع البيانات أو تحليلها أو تفسيرها؛ في كتابة المخطوطة، أو في قرار نشر النتائج.

مراجع

1. لين، ن.؛ مارتن، دبليو. علم الطاقة لتعقيد الجينوم. طبيعة 2010، 467، 929-934. [المرجع المتقاطع]

2. غراي، تطور الميتوكوندريا ميغاواط. حرب الربيع البارد. المنظور. بيول. 2012, 4, أ011403. [المرجع المتقاطع]

3. ميشرا، ب. تشان، DC ديناميات الميتوكوندريا والميراث أثناء انقسام الخلايا والتنمية والمرض. نات. القس Mol.Cell بيول. 2014، 15، 634-646. [CrossRef] [مجلات]

4. تشن، ه.؛ تشان، DC ديناميات الميتوكوندريا - الانصهار، والانشطار، والحركة، والميتوفاجي - في الأمراض التنكسية العصبية. همهمة. مول. جينيت. 2009, 18, ص169-ر176. [CrossRef] [مجلات]

5. دورن، غيغاواط، II. تطور المفاهيم لديناميات الميتوكوندريا. آنو. القس فيزيول. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [مجلات]

6. هورباي، ر.؛ Bilyy، R. ديناميات الميتوكوندريا أثناء ركوب الدراجات الخلوية. موت الخلايا المبرمج 2016، 21، 1327-1335. [CrossRef] [مجلات]

7. سونغ، م.؛ دورن، غيغاواط، الثاني. Mitoconfusion: الأداء غير القانوني لعوامل الديناميكية في الميتوكوندريا الساكنة للقلب. CellMetab. 2015، 21، 195-205. [المرجع المتقاطع]

8. دورن، غيغاواط، II. ديناميكية الميتوكوندريا وأمراض القلب: تغيير الشكل وتشكيل التغيير. إمبو مول. ميد. 2015، 7،865–877. [المرجع المتقاطع]

9. ماكاسكيل، AF. Kittler، JT التحكم في نقل الميتوكوندريا وتوطينها في الخلايا العصبية. اتجاهات الخلية بيول. 2010، 20، 102-112.[CrossRef]

10. شنغ، ز. Cai، Q. نقل الميتوكوندريا في الخلايا العصبية: التأثير على التوازن التشابكي والتنكس العصبي. نات. القس نيوروسكي. 2012، 13، 77-93. [المرجع المتقاطع]

11. باريسون، د.؛ بيسكوسكيتو، ج.؛ موروني، أنا. سالسانو، إي. Zeviani، M. الاعتلال العصبي المحيطي في اضطرابات الميتوكوندريا. لانسيت نيورول.2013، 12، 1011-1024. [المرجع المتقاطع]

12. واي، ت.؛ لانجر، T. ديناميات الميتوكوندريا وتنظيم التمثيل الغذائي. اتجاهات الغدد الصماء. متعب. 2016، 27، 105-117. [CrossRef] [مجلات]

For more information:1950477648nn@gamil.com