2.2 Veranderingen in mitochondriale vorm – oorzaak of gevolg?
Elektronenmicroscopiemetingen in de Vastus lateralis-spier van magere, zwaarlijvige niet-diabetische vrijwilligers en zwaarlijvige T2DM-proefpersonen gemarkeerd hoe mitochondriale grootte met ~ 40% werd verminderd in de laatste twee groepen.9 Dit suggereert dat obesitas een afname van mitochondriale grootte veroorzaakt. Parallelle inspanningen van het Zorzano-lab ontdekten ook een gefragmenteerd mitochondriaal netwerk in de spieren van zwaarlijvige ratten en mensen.47 Met behulp van een differentieel mRNA-scherm ontdekten ze een neerwaartse regulatie van het Mfn2-gen, dat codeert voor het Mitofusin 2 (Mfn2) -eiwit, een GTPase. enzym dat betrokken is bij mitochondriale fusiegebeurtenissen.47 Daarom zou de reductie in Mfn2 de gefragmenteerde mitochondriale architectuur kunnen verklaren die wordt waargenomen in de spieren van zwaarlijvige individuen.
Situaties van overbelasting van voedingsstoffen bij afwezigheid van een overeenkomende energiebehoefte leiden tot mitochondriale splijting in gekweekte cellen. Baanbrekend werk van het Shirihai-laboratorium toonde aan dat het mitochondriale netwerk van INS-1-cellen grotendeels gefragmenteerd raakte bij blootstelling aan met lipiden beladen medium.48 Soortgelijke waarnemingen zijn gerapporteerd in MEF-cellen en AML12-hepatocyten.49 Andere werken hebben aangetoond hoe een teveel aan voedingsstoffen is gebaseerd op glucose-overbelasting kan ook leiden tot mitochondriale fragmentatie, 50-52 hoewel dit effect celtype specifiek kan zijn.48 Wanneer fibroblasten, myocyten of hepatocyten echter aan uithongering werden blootgesteld, fuseerden hun mitochondriën en vormden ze langwerpige netwerken.53 De fusie van mitochondriën bespaarden hen van autofagie en lieten de cel toe om de energieproductie in stand te houden.53 Mitochondriale fusie had ook een intrinsiek bio-energetisch effect: mitochondriën vertoonden meer cristae na fusie en verhoogde dimerisatie en activiteit van het ATP-synthasecomplex.53 Dit zou kunnen verklaren waarom mitochondriën het tegenovergestelde ondergaan. pad (dwz splijting) bij het laden van lipiden of het teveel aan voedingsstoffen. In die zin tonen recente experimenten aan dat mitochondriale fragmentatie een fysiologische respons is die de mitochondriale ontkoppelingscapaciteit in bruine adipocyten vergroot.54 Een hogere gespleten toestand zou de toegang van vetzuren tot UCP1 kunnen vergemakkelijken, waardoor de activering ervan wordt gestimuleerd.55 Soortgelijke effecten van splijting op energiedissipatie kunnen van toepassing zijn op andere weefsels.56
Transgene muismodellen ondersteunen ook dat mitochondriale splitsing niet per se een kenmerk is voor mitochondriale disfunctie. Verminderde mitochondriale fusie bevorderd door de deletie van het Mfn1-gen in de lever (Mfn1-LKO) verhoogt feitelijk de lever-FAO-capaciteit.49 Mitochondriale ademhaling in Mfn1 KO MEFs is hoger dan in WT MEFs na galactosebehandeling, wat cellen dwingt te vertrouwen op oxidatief metabolisme .49 In overeenstemming hiermee was het door norepinefrine geïnduceerde zuurstofverbruik in bruine adipocyten met meer dan 50% verminderd wanneer de mitochondriale splitsing werd gecompromitteerd door een dominante negatieve vorm van Drp1, een sleuteleiwit voor mitochondriale splijting, tot uitdrukking te brengen.54 Deze waarnemingen suggereren dat mitochondriale splijting zou de FAO-capaciteit kunnen versterken als een beschermende aanpassing tegen lipidenoverbelasting.
De impact van Mfn2-expressie in de spier van zwaarlijvige personen zou de invloed ervan op mitochondriale fusieprocessen kunnen overstijgen. Mfn2 is cruciaal voor de tethering en functionele relatie tussen de mitochondriën en het endoplasmatisch reticulum (ER), 57 hoewel het exacte mechanisme controversieel blijft.58, 59 Mfn2 speelt een cruciale rol in de lipide- en Ca2 + -overdracht tussen het ER en de mitochondriën, 57 en Mfn2-deletie is consistent in verband gebracht met een toename van ER-stressmarkers in de meeste tot nu toe geteste cellen en weefsels. 40, 57, 60 Daarentegen leidt Mfn1-deficiëntie in hepatocyten niet tot ER-stress.49 Mfn2 is ook geïdentificeerd als een belangrijke facilitator van de interactie tussen mitochondriën en de lipidedruppel in bruin vetweefsel (BAT) .40 Deze rollen die verder gaan dan mitochondriale fusie zouden kunnen verklaren waarom Mfn2, maar niet Mfn1, in verband is gebracht met metabole complicaties.47, 61
Gezien de dodelijkheid van de Mfn2 knock-out-muizen van het hele lichaam62, zijn er een aantal weefselspecifieke knock-outmodellen voor Mfn2 gegenereerd. De eerste die werd gemeld, was de specifieke deletie van Mfn2 in de lever (Mfn2-LKO) .63 Mfn2-LKO-muizen vertonen ernstige afwijkingen in de glucoseregulatie, gekenmerkt door hyperglykemie bij vasten en glucose-intolerantie, zelfs wanneer ze een normaal dieet krijgen.63 Deze veranderingen op glucose management werd voortgestuwd door overmatige mitochondriale ROS-productie en verhoogde ER-stress. In overeenstemming daarmee was het verlichten van ER-stress met de moleculaire chaperon tauroursodeoxycholzuur (TUDCA) 64 voldoende om de insulinesignalering in levers van Mfn2-LKO-muizen te verbeteren.63 De behandeling met N-acetylcysteïne (NAC) verlichtte ER-stress en insulinesignalering, wat suggereert dat ROS productie is een belangrijke stroomopwaartse trigger in de metabole fenotypes van de Mfn2-LKO-muizen.Het feit dat het Mfn1-LKO-model deze kenmerken niet deelt49 suggereert verder dat de fragmentatie van het mitochondriale netwerk geen oorzaak is van metabole complicaties bij Mfn2-LKO-muizen.
In een tweede model werden Mfn2 floxed-muizen gekruist met muizen die het Cre-recombinase tot expressie brengen onder de MEF2C-promotor. Mfn2-eiwitexpressie in de KO-groep was aanzienlijk verminderd (80% afname) in skeletspieren, hart en hersenen, en een afname van bijna 50% werd gedetecteerd in vetweefsel, nieren of lever.63 Deze muizen vertonen IR op vetarm diëten en een verhoogde gevoeligheid om T2DM te ontwikkelen na HFD-voeding.63 Deze effecten kunnen echter eenvoudig worden veroorzaakt door de defecte Mfn2-niveaus in de lever en er zijn meer specifieke modellen nodig om de effecten van Mfn2 op de perifere insulinegevoeligheid te ontwarren. In die zin is onlangs melding gemaakt van een vetweefselspecifieke Mfn2 knock-out muis (Mfn2-AKO ).40 De deletie van Mfn2 in BAT of wit vetweefsel (WAT) leidde tot een sterk aangetaste lipolytische capaciteit en verminderde Complex I-activiteit in hun mitochondriën.40 Verrassend genoeg waren muizen zonder Mfn2 in vetweefsel resistent tegen het ontwikkelen van glucose-intolerantie bij HFD-voeding.40, 65 In feite was de insulinegevoeligheid bij Mfn2-defecte BAT verbeterd in vergelijking met controle nestgenoten, ondanks de mitochondriale disfunctie.40 Dit was het gevolg van een glycolytische herbedrading om de thermogene activiteit te behouden.40 In dezelfde lijn werd ook een glycolytische herbedrading en bescherming tegen IR waargenomen in de skeletspier van muizen zonder oogzenuwatrofie 1 (OPA1), het GTPase-enzym dat de innerlijke mitochondriale membraanfusie.66
Als geheel suggereren deze resultaten dat mitochondriale fragmentatie kenmerkend is in weefsels van zwaarlijvige personen als gevolg van overtollige en lipide-overloop. Genetisch gemanipuleerde muismodellen suggereren echter dat kleinere, sterk gespleten mitochondriën niet causaal geassocieerd kunnen worden met IR.