2.2 Mitokondrioiden muodon muutokset – syy tai seuraus?
Elektronimikroskopian mittaukset Vastus lateralis -lihaksessa vähärasvaisista, liikalihavista diabeteksesta vapaaehtoisista ja liikalihavista T2DM-aiheista kuinka mitokondrioiden kokoa vähennettiin ~ 40% kahdessa viimeisessä ryhmässä.9 Tämä viittaa siihen, että liikalihavuus johtaa mitokondrioiden koon pienenemiseen. Zorzano-laboratorion rinnakkaiset ponnistelut havaitsivat myös sirpaloituneen mitokondrioiden verkoston liikalihavien rottien ja ihmisten lihaksissa.47 Erilaista mRNA-näyttöä käyttäen he havaitsivat Mfn2-geenin alasregulaation, joka koodaa Mitofusin 2 (Mfn2) -proteiinia, GTPaasia. entsyymi, joka osallistuu mitokondrioiden fuusiotapahtumiin.47 Siksi Mfn2: n väheneminen voisi selittää liikalihavien yksilöiden lihaksessa havaitun pirstoutuneen mitokondrioiden arkkitehtuurin.
Ravinteiden ylikuormitustilanteet ilman vastaavaa energiantarvetta johtavat mitokondrioihin fissio viljellyissä soluissa. Shirihai-laboratorion uraauurtava työ osoitti, että INS-1-solujen mitokondrioiden verkosto pirstaloitui suurelta osin altistettaessa lipideillä ladatulle väliaineelle.48 Samanlaisia havaintoja on raportoitu MEF-soluissa ja AML12-maksasoluissa.49 Muut teokset ovat osoittaneet, kuinka ravinteiden ylimäärä perustuu glukoosin ylikuormituksesta voi myös johtaa mitokondrioiden fragmentoitumiseen, 50–52, vaikka tämä vaikutus saattaa olla solutyyppinen.48 Kun fibroblasteja, myosyyttejä tai hepatosyyttejä joutui nälkään, niiden mitokondriot kuitenkin sulautuivat ja muodostivat pitkänomaisia verkkoja.53 mitokondriot säästivät heitä autofagiasta ja antoivat solun ylläpitää energiantuotantoa.53 Mitokondrioiden fuusiolla oli myös luontainen bioenergeettinen vaikutus: Mitokondrioissa esiintyi enemmän cristaea fuusion yhteydessä ja lisääntynyt dimerointi ja ATP-syntaasikompleksin aktiivisuus.53 Tämä voisi selittää, miksi mitokondriot käyvät päinvastoin polku (ts. fissio) lipidien latautumisen tai ravinteiden ylimäärän jälkeen. Tässä mielessä viimeisimmät kokeet osoittavat, että mitokondrioiden fragmentoituminen on fysiologinen vaste, joka lisää mitokondrioiden irtikytkentäkapasiteettia ruskeissa adiposyyteissä.54 Korkeampi fissioitunut tila saattaa helpottaa rasvahappojen pääsyä UCP1: een, mikä johtaa sen aktivoitumiseen.55 voisi soveltua muihin kudoksiin.56
Siirtogeeniset hiirimallit tukevat myös sitä, että mitokondrioiden fissio ei sinänsä ole merkki mitokondrioiden toimintahäiriöistä. Heikentynyt mitokondrioiden fuusio, jota edistää Mfn1-geenin poistaminen maksasta (Mfn1-LKO), lisää maksan FAO-kapasiteettia.49 Mitokondrioiden hengitys Mfn1-KO-MEF-arvoissa on korkeampi kuin WT-MEF-tapauksissa galaktoosikäsittelyn aikana, mikä pakottaa solut luottamaan oksidatiiviseen metaboliaan. .49 Tämän mukaisesti noradrenaliinin aiheuttama hapen kulutus ruskeassa adiposyytissä heikentyi yli 50%, kun mitokondrioiden fissio vaarantui ilmentämällä mitokondrioiden fissio-avaimen proteiinin Drp1: n hallitsevaa negatiivista muotoa.54 Nämä havainnot viittaavat siihen, että mitokondrioiden fissio saattaa lisätä FAO: n kapasiteettia suojaavana sopeutumisena lipidien ylikuormitusta vastaan. Mfn2 on kriittinen mitokondrioiden ja endoplasmisen verkkokalvon (ER) välisessä kytkemisessä ja toiminnallisessa suhteessa, 57 vaikka tarkka mekanismi on edelleen kiistanalainen. 58, 59 Mfn2: lla on ratkaiseva rooli lipidien ja Ca2 +: n siirtymisessä ER: n ja mitokondrioiden välillä, 57 ja Mfn2-deleetio on johdonmukaisesti liittynyt ER-stressimerkkien lisääntymiseen useimmissa tähän mennessä testatuissa soluissa ja kudoksissa. 40, 57, 60 Sitä vastoin Mfn1-puutos maksasoluissa ei aiheuta ER-stressiä. 49 Mfn2 on myös tunnistettu mitokondrioiden ja ruskean rasvakudoksen lipidipisaran (BAT) välisen vuorovaikutuksen avaintekijä .40 Nämä mitokondrioiden fuusion ulkopuolella olevat roolit saattavat selittää, miksi Mfn2, mutta ei Mfn1, on yhdistetty metabolisiin komplikaatioihin.47, 61
Kun otetaan huomioon koko kehon Mfn2-knockout-hiirten kuolettavuus, 62 on kehitetty useita kudosspesifisiä knock-out-malleja Mfn2: lle. Ensimmäinen raportoitu oli Mfn2: n spesifinen deleetio maksassa (Mfn2-LKO) .63 Mfn2-LKO-hiirillä on syvällisiä poikkeavuuksia glukoosikontrollissa, jolle on tunnusomaista paaston hyperglykemia ja glukoosi-intoleranssi, vaikka ruokitaan säännöllisesti ruokavaliossa.63 hallintaa vetivät liiallinen mitokondrioiden ROS-tuotanto ja lisääntynyt ER-stressi. ER-stressin lievittäminen molekyylisen chaperone-tauroursodeoksikoolihapon (TUDCA) 64 kanssa oli riittävä parantamaan insuliinin signalointia Mfn2-LKO-hiirien maksassa.63 N-asetyylikysteiinihoito (NAC) lievitti ER-stressiä ja insuliinisignalointia, mikä viittaa siihen, että ROS tuotanto on keskeinen alkupään laukaisija Mfn2-LKO-hiirten metabolisissa fenotyypeissä.Se, että Mfn1-LKO-malli ei jaa näitä ominaisuuksia49, viittaa edelleen siihen, että mitokondrioiden verkon sirpaloituminen ei aiheuta metabolisia komplikaatioita Mfn2-LKO-hiirissä.
Toisessa mallissa Mfn2-uimahiiret ristitty Cre-rekombinaasia ekspressoivien hiirten kanssa MEF2C-promoottorin alla. Mfn2-proteiinin ilmentyminen KO-ryhmässä väheni huomattavasti (80%: n lasku) luurankolihaksessa, sydämessä ja aivoissa, ja lähes 50%: n vähennys havaittiin rasvakudoksissa, munuaisissa tai maksassa.63 Näillä hiirillä on IR vähärasvaisella ruokavaliot ja lisääntynyt herkkyys T2DM: n kehittymiselle HFD-ruokinnan yhteydessä.63 Nämä vaikutukset voivat kuitenkin johtua yksinkertaisesti maksan viallisista Mfn2-tasoista ja tarvitaan tarkempia malleja Mfn2: n vaikutusten selvittämiseksi perifeerisessä insuliiniherkkyydessä. Tässä mielessä rasvakudosspesifinen Mfn2-knockout-hiiri (Mfn2-AKO) on raportoitu äskettäin.40 Mfn2: n poistaminen joko BAT: ssa tai valkoisessa rasvakudoksessa (WAT) johti voimakkaasti heikentyneeseen lipolyyttiseen kapasiteettiin ja tylsistettyyn Complex I -aktiivisuuteen Niiden mitokondriot.40 Yllättäen hiiret, joilta puuttui Mfn2 rasvakudoksissa, olivat resistenttejä glukoosi-intoleranssin kehittymiselle HFD-ruokinnan aikana.40, 65 Itse asiassa insuliiniherkkyys Mfn2-puutteellisessa BAT: ssa parani verrattuna kontrollipentueisiin mitokondrioiden toimintahäiriöstä huolimatta. Tämä johtui glykolyyttisestä uudelleenkytkennästä termogeenisen aktiivisuuden ylläpitämiseksi.40 Samassa linjassa havaittiin glykolyyttinen uudelleenkytkentä ja suoja IR: ää vastaan myös sellaisten hiirten luurankolihaksissa, joilta puuttui näköhermon atrofia 1 (OPA1), GTPaasi-entsyymi välitti sisäistä mitokondrioiden kalvofuusio.66
Kokonaisuutena nämä tulokset viittaavat siihen, että mitokondrioiden fragmentoituminen on ominaista lihavien yksilöiden kudoksissa ravintoaineen seurauksena. ylimäärä ja lipidien ylivuoto. Geneettisesti muokatut hiirimallit viittaavat kuitenkin siihen, että pienempiä, hyvin halkaistuja mitokondrioita ei voida liittää syy-yhteyteen IR: ään.