2.2 Ændringer i mitokondrieform — Årsag eller konsekvens?
Målinger af elektronmikroskopi i Vastus lateralis-muskel fra magre, overvægtige ikke-diabetiske frivillige og overvægtige T2DM-emner fremhævet hvordan mitokondrie størrelse blev reduceret ~ 40% i de sidste to grupper.9 Dette antyder, at fedme driver et fald i mitokondrie størrelse. Parallel indsats fra Zorzano-laboratoriet påviste også et fragmenteret mitokondrie-netværk i musklerne hos overvægtige rotter og mennesker.47 Ved hjælp af en differentiel mRNA-skærm opdagede de en nedregulering af Mfn2-genet, som koder for Mitofusin 2 (Mfn2) -proteinet, en GTPase enzym involveret i mitokondrielle fusionshændelser.47 Derfor kunne reduktionen i Mfn2 forklare den fragmenterede mitokondrielle arkitektur observeret i musklerne hos overvægtige individer.
Situationer med overbelastning af næringsstoffer i fravær af et matchende energibehov fører til mitokondrie fission i dyrkede celler. Banebrydende arbejde fra Shirihai-laboratoriet viste, at mitokondrie-netværket af INS-1-celler stort set blev fragmenteret, når de blev udsat for lipidbelastet medium.48 Lignende observationer er blevet rapporteret i MEF-celler og AML12-hepatocytter.49 Andre arbejder har vist, hvordan et næringsstofoverskud er baseret på glukoseoverbelastning kan også føre til mitokondriefragmentering, 50-52, selvom denne effekt muligvis er celletypespecifik.48 Når fibroblaster, myocytter eller hepatocytter blev udsat for sult, fusionerede deres mitokondrier imidlertid og dannede aflange netværk.53 Fusionen af mitokondrier skånede dem for autofagi og tillod cellen at opretholde energiproduktion.53 Mitokondrie-fusion havde også en iboende bioenergetisk effekt: Mitokondrier viste mere cristae ved fusion og øget dimerisering og aktivitet af ATP-syntase-komplekset.53 Dette kunne forklare, hvorfor mitokondrier gennemgår det modsatte sti (dvs. fission) ved lipidbelastning eller næringsstofoverskud. I denne forstand viser nylige eksperimenter, at mitokondriefragmentering er et fysiologisk respons, der øger mitokondriefrakoblingskapacitet i brune adipocytter.54 En højere fissioneret tilstand kan muliggøre adgangen til fedtsyrer til UCP1, hvilket driver dets aktivering.55 Lignende virkninger af fission på energidissipering kunne gælde for andet væv.56
Transgene musemodeller understøtter også, at mitokondrie-fission ikke i sig selv er et tegn på mitokondrie dysfunktion. Nedsat mitokondrie fusion fremmet ved sletning af Mfn1 genet i leveren (Mfn1-LKO) øger faktisk hepatisk FAO kapacitet.49 Mitokondrie respiration i Mfn1 KO MEFer er højere end i WT MEFer ved galactose behandling, hvilket tvinger celler til at stole på oxidativ metabolisme .49 I overensstemmelse med dette blev noradrenalin-induceret iltforbrug i brune adipocytter nedsat med mere end 50%, når mitokondrie-fission blev kompromitteret ved at udtrykke en dominerende negativ form for Drp1, et nøgleprotein til mitokondrie-fission.54 Disse observationer antyder, at mitokondrie-fission kan forbedre FAO-kapaciteten som en beskyttende tilpasning mod lipidoverbelastning.
Virkningen af Mfn2-ekspression i muskelen fra overvægtige forsøgspersoner kan gå ud over dens indflydelse på mitokondrie fusionsprocesser. Mfn2 er kritisk for bindingen og det funktionelle forhold mellem mitokondrierne og det endoplasmatiske retikulum (ER), 57 selvom den nøjagtige mekanisme forbliver kontroversiel. 58, 59 Mfn2 spiller en afgørende rolle i lipid- og Ca2 + -overførslen mellem ER og mitokondrier, 57 og Mfn2-sletning har konsekvent været forbundet med en stigning i ER-stressmarkører i de fleste celler og væv, der er testet til dato. 40, 57, 60 I modsætning hertil fører Mfn1-mangel i hepatocytter ikke til ER-stress.49 Mfn2 er også blevet identificeret som en vigtig facilitator af interaktionen mellem mitokondrier og lipiddråben i brunt fedtvæv (BAT) .40 Disse roller ud over mitokondrie fusion kan forklare, hvorfor Mfn2, men ikke Mfn1, har været knyttet til metaboliske komplikationer.47, 61
I betragtning af dødeligheden af hele Mfn2 knockout-mus er 62 en række vævsspecifikke knockout-modeller til Mfn2 blevet genereret. Den første rapporterede var den specifikke sletning af Mfn2 i leveren (Mfn2-LKO) .63 Mfn2-LKO mus udviser dybe abnormiteter ved glukosekontrol, der er karakteriseret ved fastende hyperglykæmi og glukoseintolerans, selv når de fodres med en regelmæssig diæt.63 Disse ændringer på glukose ledelse blev drevet af overdreven mitokondrie ROS-produktion og øget ER-stress. Under linjering var lindring af ER-stress med den molekylære chaperon tauroursodeoxycholsyre (TUDCA) 64 nok til at forbedre insulinsignalering i lever fra Mfn2-LKO-mus.63 Behandlingen med N-acetylcystein (NAC) lindrede ER-stress og insulinsignalering, hvilket tyder på, at ROS produktion er en nøgle opstrøms udløser i de metaboliske fænotyper af Mfn2-LKO musene.Det faktum, at Mfn1-LKO-modellen ikke deler disse træk49 antyder yderligere, at fragmenteringen af mitokondrie-netværket ikke er årsag til metaboliske komplikationer i Mfn2-LKO-mus.
I en anden model var Mfn2-floxede mus krydset med mus, der udtrykker Cre-rekombinase under MEF2C-promotoren. Mfn2-proteinekspression i KO-gruppen blev markant reduceret (80% fald) i skeletmuskulatur, hjerte og hjerne, og en næsten 50% reduktion blev påvist i fedtvæv, nyre eller lever.63 Disse mus viser IR på lavt fedtindhold kostvaner og en forværret følsomhed for at udvikle T2DM ved HFD-fodring.63 Disse virkninger kunne imidlertid kun stamme fra de defekte hepatiske Mfn2-niveauer, og der kræves mere specifikke modeller for at fjerne virkningen af Mfn2 i perifer insulinfølsomhed. I denne forstand er der for nylig rapporteret om en fedtvævsspecifik Mfn2 knockout-mus (Mfn2-AKO) .40 Sletning af Mfn2 i enten BAT eller hvidt fedtvæv (WAT) førte til en stærkt kompromitteret lipolytisk kapacitet og afstumpet kompleks I-aktivitet i deres mitokondrier.40 Overraskende nok var mus, der manglede Mfn2 i fedtvæv, resistente over for udvikling af glucoseintolerance ved HFD-fodring. 40, 65 Faktisk blev insulinfølsomheden i Mfn2-defekt BAT forbedret sammenlignet med kontrolkammerater på trods af dens mitokondriale dysfunktion.40 Dette var en glykolytisk ledningsføring for at opretholde termogen aktivitet.40 I samme linje blev der også observeret en glykolytisk ledning og beskyttelse mod IR i skeletmusklen hos mus, der mangler optisk nerveatrofi 1 (OPA1), GTPase-enzymet, der medierer indre mitokondrie membranfusion.66
Som en helhed tyder disse resultater på, at mitokondrie fragmentering er karakteristisk i væv fra overvægtige individer som en konsekvens af næringsstoffer overskydende og lipidoverløb. Genmodificerede musemodeller antyder imidlertid, at mindre, stærkt fissioneret, mitokondrier ikke kan være årsagssammenhængende med IR.