2.2 Změny mitochondriálního tvaru – příčina nebo důsledek?
Měření elektronovou mikroskopií ve svalu Vastus lateralis od chudých, obézních nediabetických dobrovolníků a obézních subjektů T2DM jak byla velikost mitochondrií snížena ~ 40% v posledních dvou skupinách.9 To naznačuje, že obezita vede ke zmenšení velikosti mitochondrií. Paralelní úsilí laboratoře Zorzano také detekovalo fragmentovanou mitochondriální síť ve svalu obézních potkanů a lidí.47 Pomocí diferenciálního screeningu mRNA detekovali downregulaci genu Mfn2, který kóduje protein mitofusin 2 (Mfn2), GTPázu enzym podílející se na událostech mitochondriální fúze.47 Redukce Mfn2 by proto mohla vysvětlit fragmentovanou mitochondriální architekturu pozorovanou ve svalu obézních jedinců.
Situace přetížení živinami při absenci odpovídající energetické potřeby vedou k mitochondriální štěpení v kultivovaných buňkách. Průkopnická práce Shirihaiho laboratoře prokázala, že mitochondriální síť buněk INS-1 se po vystavení médiu s obsahem lipidů značně fragmentovala.48 Podobná pozorování byla hlášena u buněk MEF a hepatocytů AML12.49 Další práce ukázaly, jak je založen přebytek živin na přetížení glukózy může také vést k mitochondriální fragmentaci, 50–52, i když tento účinek může být specifický pro buněčný typ.48 Když byly fibroblasty, myocyty nebo hepatocyty podrobeny hladovění, jejich mitochondrie se spojily a vytvořily protáhlé sítě.53 Fúze mitochondrie je ušetřily od autofagie a umožnily buňce udržet produkci energie.53 Mitochondriální fúze měla také vlastní bioenergetický účinek: Mitochondrie vykazovaly po fúzi více cristae a zvýšenou dimerizaci a aktivitu komplexu ATP syntázy.53 To by mohlo vysvětlit, proč mitochondrie procházejí opačně cesta (tj. štěpení) při lipidovém zatížení nebo přebytku živin. V tomto smyslu nedávné experimenty ukazují, že mitochondriální fragmentace je fyziologická reakce, která zvyšuje mitochondriální rozpojovací kapacitu v hnědých adipocytech.54 Vyšší štěpený stav by mohl usnadnit přístup mastných kyselin k UCP1, což by vedlo k jeho aktivaci.55 Podobné účinky štěpení na rozptyl energie by se mohly vztahovat na jiné tkáně.56
Transgenní myší modely rovněž podporují, že mitochondriální štěpení samo o sobě není známkou mitochondriální dysfunkce. Zhoršená mitochondriální fúze podporovaná delecí genu Mfn1 v játrech (Mfn1-LKO) ve skutečnosti zvyšuje kapacitu FAO v játrech.49 Mitochondriální respirace u Mfn1 KO MEF je vyšší než u WT MEF po léčbě galaktózou, což nutí buňky spoléhat se na oxidační metabolismus .49 V souladu s tím byla spotřeba kyslíku vyvolaná norepinefrinem v hnědých adipocytech snížena o více než 50%, když bylo mitochondriální štěpení narušeno expresí dominantní negativní formy Drp1, klíčového proteinu pro štěpení mitochondrií.54 Tato pozorování naznačují, že mitochondriální štěpení může zvýšit kapacitu FAO jako ochrannou adaptaci proti přetížení lipidy.
Dopad exprese Mfn2 ve svalu od obézních subjektů by mohl jít nad jeho vliv na procesy mitochondriální fúze. Mfn2 je rozhodující pro uvazovací a funkční vztah mezi mitochondriemi a endoplazmatickým retikulem (ER), 57 ačkoli přesný mechanismus zůstává kontroverzní.58, 59 Mfn2 hraje klíčovou roli při přenosu lipidů a Ca2 + mezi ER a mitochondriemi, Delece 57 a Mfn2 je důsledně spojována se zvýšením markerů stresu ER ve většině dosud testovaných buněk a tkání. 40, 57, 60 Naproti tomu nedostatek Mfn1 v hepatocytech nevede k stresu ER. 49 Mfn2 byl také identifikován jako klíčový zprostředkovatel interakce mezi mitochondriemi a lipidovými kapičkami v hnědé tukové tkáni (BAT) .40 Tyto role mimo mitochondriální fúzi mohou vysvětlovat, proč byl Mfn2, ale ne Mfn1, spojen s metabolickými komplikacemi.47, 61
zhledem k letalitě Mfn2 knockoutovaných myší celého těla 62 bylo vygenerováno množství tkáňově specifických knockoutových modelů pro Mfn2. První uváděnou byla specifická delece Mfn2 v játrech (Mfn2-LKO) .63 Mfn2-LKO myši vykazují hluboké abnormality v kontrole glukózy, charakterizované hyperglykemií nalačno a intolerancí glukózy, i když jsou krmeny běžnou stravou.63 Tyto změny glukózy řízení bylo poháněno nadměrnou mitochondriální produkcí ROS a zvýšeným stresem ER. Při vyrovnání stačilo zmírnění ER stresu s molekulární chaperonovou kyselinou tauroursodeoxycholovou (TUDCA) 64 ke zlepšení signalizace inzulínu v játrech od myší Mfn2-LKO.63 Léčba N-acetylcysteinem (NAC) zmírnila stres ER a signalizaci inzulínu, což naznačuje, že ROS Produkce je klíčovým spouštěcím prvkem v metabolických fenotypech myší Mfn2-LKO.Skutečnost, že model Mfn1-LKO nesdílí tyto rysy49, dále naznačuje, že fragmentace mitochondriální sítě není příčinou metabolických komplikací u myší Mfn2-LKO.
Ve druhém modelu byly myši Mfn2 floxované kříženy s myšmi exprimujícími Cre rekombinázu pod promotorem MEF2C. Exprese proteinu Mfn2 ve skupině KO byla výrazně snížena (80% pokles) v kosterním svalu, srdci a mozku a téměř 50% snížení bylo detekováno v tukových tkáních, ledvinách nebo játrech.63 Tyto myši vykazovaly IR na nízkotučných diety a zhoršená citlivost k rozvoji T2DM po krmení HFD.63 Tyto účinky by však mohly vyplývat jednoduše z defektních jaterních hladin Mfn2 a k rozmotání účinků Mfn2 na periferní citlivost na inzulín budou zapotřebí konkrétnější modely. V tomto smyslu byla nedávno hlášena myš Mfn2 s knockoutem specifickým pro tukovou tkáň (Mfn2-AKO) .40 Delece Mfn2 buď v BAT nebo v bílé tukové tkáni (WAT) vedla k silně narušené lipolytické kapacitě a otupila aktivitu komplexu I v jejich mitochondrie.40 Překvapivě byly myši postrádající Mfn2 v tukových tkáních rezistentní k rozvoji intolerance glukózy po krmení HFD.40, 65 Ve skutečnosti byla citlivost na inzulín u BAT s defektem Mfn2 zvýšena ve srovnání s kontrolními spolužáky navzdory jeho mitochondriální dysfunkci.40 Důsledkem toho bylo glykolytické přepojení, aby se udržela termogenní aktivita.40 Na stejné linii bylo také pozorováno glykolytické přepojení a ochrana před IR v kosterním svalu myší postrádajících atrofii optického nervu 1 (OPA1), což je enzym GTPáza zprostředkující vnitřní fúze mitochondriální membrány.66
Celkově tyto výsledky naznačují, že mitochondriální fragmentace je charakteristická pro tkáně obézních jedinců jako důsledek výživy přebytek a přetečení lipidů. Geneticky upravené modely myší však naznačují, že menší, vysoce štěpené mitochondrie nelze kauzálně spojit s IR.