2.2 Endringer i mitokondrieform — Årsak eller konsekvens?
Målinger av elektronmikroskopi i Vastus lateralis-muskel fra magre, overvektige ikke-diabetiske frivillige og overvektige T2DM-forsøkspersoner fremhevet hvordan mitokondrie størrelse ble redusert ~ 40% i de to siste gruppene.9 Dette antyder at fedme driver en reduksjon i mitokondrie størrelse. Parallell innsats fra Zorzano-laboratoriet oppdaget også et fragmentert mitokondrie-nettverk i muskelen til overvektige rotter og mennesker.47 Ved hjelp av en differensiell mRNA-skjerm oppdaget de en nedregulering av Mfn2-genet, som koder for Mitofusin 2 (Mfn2) -proteinet, en GTPase enzym involvert i mitokondrielle fusjonshendelser.47 Derfor kunne reduksjonen i Mfn2 forklare den fragmenterte mitokondrielle arkitekturen observert i muskelen til overvektige individer.
Situasjoner med næringsoverbelastning i fravær av et samsvarende energibehov fører til mitokondrie fisjon i dyrkede celler. Banebrytende arbeid fra Shirihai-laboratoriet viste at mitokondrie-nettverket av INS-1-celler i stor grad ble fragmentert når de ble utsatt for lipidbelastet medium.48 Lignende observasjoner er rapportert i MEF-celler og AML12-hepatocytter.49 Andre arbeider har vist hvordan et næringsstoffoverskudd basert på glukoseoverbelastning kan også føre til mitokondriefragmentering, 50–52, selv om denne effekten kan være celletypespesifikk.48 Når fibroblaster, myocytter eller hepatocytter ble utsatt for sult, smeltet deres mitokondrier og dannet langstrakte nettverk.53 Fusjonen av mitokondrier sparte dem for autofagi og tillot cellen å opprettholde energiproduksjon.53 Mitokondrie-fusjon hadde også en iboende bioenergetisk effekt: Mitokondrier viste mer cristae ved fusjon og økt dimerisering og aktivitet av ATP-syntase-komplekset.53 Dette kan forklare hvorfor mitokondrier gjennomgår det motsatte bane (dvs. fisjon) ved lipidbelastning eller næringsstoffoverskudd. I denne forstand viser nylige eksperimenter at mitokondriefragmentering er en fysiologisk respons som øker mitokondriefrakoblingskapasiteten i brune adipocytter.54 En høyere fisjonert tilstand kan lette tilgangen til fettsyrer til UCP1, som driver aktivering.55 Lignende effekter av fisjon på energidissipasjon kunne gjelde for andre vev.56
Transgene musemodeller støtter også at mitokondriell fisjon ikke i seg selv er et merke for mitokondrie dysfunksjon. Nedsatt mitokondriell fusjon fremmet ved sletting av Mfn1-genet i leveren (Mfn1-LKO) øker faktisk hepatisk FAO-kapasitet.49 Mitokondrie respirasjon i Mfn1 KO MEF er høyere enn i WT MEF ved galaktosebehandling, som tvinger celler til å stole på oksidativ metabolisme .49 I tråd med dette ble noradrenalin-indusert oksygenforbruk i brune adipocytter svekket med mer enn 50% når mitokondriell fisjon ble kompromittert ved å uttrykke en dominerende negativ form for Drp1, et nøkkelprotein for mitokondrie fisjon.54 Disse observasjonene antyder at mitokondrie fisjon. kan styrke FAO-kapasiteten som en beskyttende tilpasning mot lipidoverbelastning. Mfn2 er kritisk for bindingen og det funksjonelle forholdet mellom mitokondriene og det endoplasmatiske retikulum (ER), 57 selv om den nøyaktige mekanismen forblir kontroversiell. 58, 59 Mfn2 spiller en avgjørende rolle i lipid- og Ca2 + -overføringen mellom ER og mitokondriene, 57 og Mfn2-sletting har konsekvent vært assosiert med en økning i ER-stressmarkører i de fleste celler og vev som er testet til dags dato. 40, 57, 60 I motsetning til dette fører ikke Mfn1-mangel i hepatocytter til ER-stress.49 Mfn2 har også blitt identifisert som en viktig tilrettelegger for interaksjonen mellom mitokondrier og lipiddråpen i brunt fettvev (BAT) .40 Disse rollene utover mitokondrie-fusjon kan forklare hvorfor Mfn2, men ikke Mfn1, har vært knyttet til metabolske komplikasjoner.47, 61
Gitt dødeligheten til Mfn2 knockout-mus i hele kroppen, er 62 generert en rekke vevsspesifikke knockout-modeller for Mfn2. Den første som ble rapportert var den spesifikke slettingen av Mfn2 i leveren (Mfn2-LKO) .63 Mfn2-LKO-mus utviste dype abnormiteter ved glukosekontroll, preget av faste hyperglykemi og glukoseintoleranse selv når de fikk et vanlig diett.63 Disse endringene på glukose ledelsen ble drevet av overdreven mitokondrie ROS-produksjon og økt ER-stress. I linjering var å lindre ER-stress med den molekylære kaperonen tauroursodeoxycholic acid (TUDCA) 64 nok til å forbedre insulinsignalering i lever fra Mfn2-LKO-mus.63 Behandlingen med N-acetylcystein (NAC) lindret ER-stress og insulinsignalering, noe som tyder på at ROS produksjon er en nøkkel oppstrøms utløser i de metabolske fenotypene til Mfn2-LKO musene.Det faktum at Mfn1-LKO-modellen ikke deler disse funksjonene49 antyder videre at fragmenteringen av mitokondrie-nettverket ikke er årsak til metabolske komplikasjoner i Mfn2-LKO-mus.
I en andre modell var Mfn2 floxed mus krysset med mus som uttrykker Cre-rekombinase under MEF2C-promotoren. Mfn2-proteinuttrykk i KO-gruppen ble markert redusert (80% reduksjon) i skjelettmuskulatur, hjerte og hjerne, og en nesten 50% reduksjon ble påvist i fettvev, nyre eller lever.63 Disse musene viser IR på fettfattig dietter og en forverret følsomhet for å utvikle T2DM ved HFD-fôring.63 Disse effektene kan imidlertid bare stamme fra de defekte hepatiske Mfn2-nivåene, og mer spesifikke modeller vil være nødvendig for å løse effektene av Mfn2 i perifer insulinfølsomhet. I denne forstand er det nylig rapportert om en fettvevsspesifikk Mfn2 knockout-mus (Mfn2-AKO). 40 Sletting av Mfn2 i enten BAT eller hvitt fettvev (WAT) førte til en sterkt kompromittert lipolytisk kapasitet og avstumpet kompleks I-aktivitet i deres mitokondrier.40 Overraskende nok var mus som manglet Mfn2 i fettvev resistente mot å utvikle glukoseintoleranse ved HFD-fôring. 40, 65 Faktisk ble insulinfølsomheten i Mfn2-defekt BAT forbedret sammenlignet med kontrollkullkammerater, til tross for dens mitokondriale dysfunksjon. Dette var konsekvenser av en glykolytisk ledning for å opprettholde termogen aktivitet .40 I samme linje ble en glykolytisk ledning og beskyttelse mot IR også observert i skjelettmuskelen til mus som mangler synsnerveatrofi 1 (OPA1), GTPase-enzymet som medierer indre mitokondriell membranfusjon.66
Som en helhet antyder disse resultatene at mitokondriell fragmentering er karakteristisk i vev fra overvektige individer som en konsekvens av næringsstoffer overflødig og lipidoverløp. Genmodifiserte musemodeller antyder imidlertid at mindre, svært fisjonerte mitokondrier ikke kan være årsakssammenheng med IR.