2.2 Zmiany w kształcie mitochondriów – przyczyna czy konsekwencja?
Podkreślono pomiary mikroskopu elektronowego w mięśniu Vastus lateralis u szczupłych, otyłych ochotników bez cukrzycy i otyłych pacjentów z T2DM w jaki sposób rozmiar mitochondriów został zmniejszony o ~ 40% w dwóch ostatnich grupach9. Sugeruje to, że otyłość powoduje zmniejszenie rozmiaru mitochondriów. Równoległe wysiłki laboratorium Zorzano wykryły również fragmentaryczną sieć mitochondrialną w mięśniach otyłych szczurów i ludzi.47 Korzystając z różnicowego badania przesiewowego mRNA, wykryli regulację w dół genu Mfn2, który koduje białko mitofuzyny 2 (Mfn2), GTPazę. enzym zaangażowany w fuzję mitochondrialną.47 Dlatego zmniejszenie Mfn2 może wyjaśniać fragmentaryczną architekturę mitochondriów obserwowaną w mięśniach osób otyłych.
Sytuacje przeciążenia substancjami odżywczymi przy braku odpowiedniego zapotrzebowania na energię prowadzą do powstania mitochondrialnego rozszczepienie w hodowanych komórkach. Pionierska praca laboratorium w Shirihai wykazała, że mitochondrialna sieć komórek INS-1 uległa znacznej fragmentacji po wystawieniu na działanie pożywki zawierającej lipidy48. Podobne obserwacje odnotowano w komórkach MEF i hepatocytach AML1249. na przeładowanie glukozą może również prowadzić do fragmentacji mitochondriów, 50–52, chociaż efekt ten może być specyficzny dla typu komórki.48 Gdy fibroblasty, miocyty lub hepatocyty zostały poddane głodowi, ich mitochondria uległy fuzji i utworzyły wydłużone sieci.53 mitochondria uchroniły je przed autofagią i pozwoliły komórce na podtrzymanie produkcji energii.53 Fuzja mitochondrialna miała również nieodłączny efekt bioenergetyczny: mitochondria wykazywały więcej cristae po fuzji i zwiększonej dimeryzacji oraz aktywności kompleksu syntazy ATP53. To może wyjaśniać, dlaczego mitochondria podlegają odwrotnemu efektowi. ścieżka (tj. rozszczepienie) po obciążeniu lipidami lub nadmiarze składników odżywczych. W tym sensie ostatnie eksperymenty pokazują, że fragmentacja mitochondriów jest reakcją fizjologiczną, która zwiększa zdolność rozprzęgania mitochondriów w brązowych adipocytach.54 Wyższy stan rozszczepienia może ułatwiać dostęp kwasów tłuszczowych do UCP1, prowadząc do jego aktywacji.55 Podobne skutki rozszczepienia na rozpraszanie energii może odnosić się do innych tkanek.56
Modele myszy transgenicznych również potwierdzają, że rozszczepienie mitochondriów samo w sobie nie jest oznaką dysfunkcji mitochondriów. Upośledzona fuzja mitochondrialna promowana przez delecję genu Mfn1 w wątrobie (Mfn1-LKO) faktycznie zwiększa wątrobową pojemność FAO.49 Oddychanie mitochondrialne w Mfn1 KO MEF jest wyższe niż w WT MEF po traktowaniu galaktozą, co zmusza komórki do polegania na metabolizmie oksydacyjnym .49 Zgodnie z tym, indukowane przez norepinefrynę zużycie tlenu w brązowych adipocytach było upośledzone o ponad 50%, gdy rozszczepienie mitochondriów zostało upośledzone przez ekspresję dominującej negatywnej postaci Drp1, kluczowego białka dla rozszczepienia mitochondriów.54 Te obserwacje sugerują, że rozszczepienie mitochondriów może zwiększyć zdolność FAO jako ochronną adaptację przed przeciążeniem lipidami.
Wpływ ekspresji Mfn2 w mięśniach osób otyłych może wykraczać poza jej wpływ na procesy fuzji mitochondrialnej. Mfn2 ma kluczowe znaczenie dla powiązania i związku funkcjonalnego między mitochondriami a retikulum endoplazmatycznym (ER), 57 chociaż dokładny mechanizm pozostaje kontrowersyjny58, 59 Mfn2 odgrywa kluczową rolę w transferze lipidów i Ca2 + między ER a mitochondriami, 57 i delecja Mfn2 konsekwentnie była powiązana ze wzrostem markerów stresu ER w większości dotychczas badanych komórek i tkanek. 40, 57, 60 Z kolei niedobór Mfn1 w hepatocytach nie prowadzi do stresu ER.49 Mfn2 również zidentyfikowano jako kluczowy czynnik ułatwiający interakcję między mitochondriami a kropelkami lipidów w brązowej tkance tłuszczowej (BAT) .40 Te role wykraczające poza fuzję mitochondrialną mogą wyjaśniać, dlaczego Mfn2, ale nie Mfn1, jest powiązane z powikłaniami metabolicznymi. 47, 61
Biorąc pod uwagę śmiertelność myszy z nokautem Mfn2 w całym ciele, wygenerowano 62 różne modele tkanek z nokautem dla Mfn2. Pierwszym zgłoszonym przypadkiem była specyficzna delecja Mfn2 w wątrobie (Mfn2-LKO). 63 Myszy Mfn2-LKO wykazują głębokie nieprawidłowości w kontroli glukozy, charakteryzujące się hiperglikemią na czczo i nietolerancją glukozy, nawet przy karmieniu regularną dietą63. zarządzanie było napędzane nadmierną produkcją mitochondrialnych RFT i zwiększonym stresem ER. W przypadku wyrównania, złagodzenie stresu ER za pomocą molekularnego chaperonu kwasu tauroursodeoksycholowego (TUDCA) 64 wystarczyło, aby poprawić sygnalizację insuliny w wątrobach myszy Mfn2-LKO.63 Leczenie N-acetylocysteiną (NAC) złagodziło stres ER i sygnalizację insuliny, co sugeruje, że ROS produkcja jest kluczowym wyzwalaczem w kierunku poprzedzającym fenotypy metaboliczne myszy Mfn2-LKO.Fakt, że model Mfn1-LKO nie ma tych samych cech49 dodatkowo sugeruje, że fragmentacja sieci mitochondrialnej nie jest przyczyną powikłań metabolicznych u myszy Mfn2-LKO.
W drugim modelu myszy Mfn2 floksowane były skrzyżowane z myszami wyrażającymi rekombinazę Cre pod promotorem MEF2C. Ekspresja białka Mfn2 w grupie KO była znacznie zmniejszona (80% spadek) w mięśniach szkieletowych, sercu i mózgu, a prawie 50% redukcja została wykryta w tkance tłuszczowej, nerkach lub wątrobie.63 Te myszy wykazują IR na niskotłuszczowych diet i zwiększonej wrażliwości na rozwój T2DM po karmieniu HFD.63 Te efekty mogą jednak wynikać po prostu z wadliwych poziomów wątrobowego Mfn2 i do rozplątania wpływu Mfn2 na obwodową wrażliwość na insulinę będą potrzebne bardziej specyficzne modele. W tym sensie niedawno doniesiono o myszy z nokautem Mfn2 specyficznej dla tkanki tłuszczowej (Mfn2-AKO) .40 Delecja Mfn2 w BAT lub w białej tkance tłuszczowej (WAT) doprowadziła do silnie upośledzonej zdolności lipolitycznej i osłabienia aktywności kompleksu I w 40, 65 Co zaskakujące, myszy pozbawione Mfn2 w tkankach tłuszczowych były oporne na nietolerancję glukozy po karmieniu HFD. 40,65 W rzeczywistości wrażliwość na insulinę w BAT z defektem Mfn2 była zwiększona w porównaniu z kontrolnymi matkami z miotu, pomimo dysfunkcji mitochondriów40 Było to konsekwencją zmiany okablowania glikolitycznego w celu utrzymania aktywności termogenicznej. 40 W tej samej linii glikolityczne ponowne okablowanie i ochronę przed IR obserwowano również w mięśniach szkieletowych myszy bez atrofii nerwu wzrokowego 1 (OPA1), enzym GTPazy fuzja błony mitochondrialnej.66
Podsumowując, wyniki te sugerują, że fragmentacja mitochondrialna jest charakterystyczna w tkankach osób otyłych jako konsekwencja nadmiar i przepełnienie lipidów. Jednak modele myszy zmodyfikowane genetycznie sugerują, że mniejsze, silnie rozszczepione mitochondria nie mogą być przyczynowo związane z IR.