2.2 Förändringar i mitokondriell form – Orsak eller konsekvens?
Elektronmikroskopmätningar i Vastus lateralis-muskel från magra, överviktiga icke-diabetiska volontärer och överviktiga T2DM-ämnen markerade hur mitokondriell storlek minskade ~ 40% i de två senaste grupperna.9 Detta tyder på att fetma driver en minskning av mitokondriell storlek. Parallella ansträngningar från Zorzano-labbet upptäckte också ett fragmenterat mitokondriellt nätverk i musklerna hos överviktiga råttor och människor.47 Med hjälp av en differentiell mRNA-skärm upptäckte de en nedreglering av Mfn2-genen, som kodar för Mitofusin 2 (Mfn2) -proteinet, ett GTPas enzym involverat i mitokondriella fusionshändelser.47 Därför kunde minskningen av Mfn2 förklara den fragmenterade mitokondriella arkitekturen som observerades i muskler hos överviktiga individer.
Situationer med överbelastning av näringsämnen i frånvaro av ett matchande energibehov leder till mitokondrie klyvning i odlade celler. Banbrytande arbete från Shirihai-labbet visade att det mitokondriella nätverket av INS-1-celler till stor del fragmenterades när de exponerades för lipidbelastat medium.48 Liknande observationer har rapporterats i MEF-celler och AML12-hepatocyter.49 Andra verk har visat hur ett näringsöverskott baseras på glukosöverbelastning kan också leda till mitokondriell fragmentering, 50–52 även om denna effekt kan vara celltypsspecifik.48 När fibroblaster, myocyter eller hepatocyter utsattes för svält, emellertid smälter deras mitokondrier och bildar långsträckta nätverk. mitokondrier skonade dem från autofagi och tillät cellen att upprätthålla energiproduktion.53 Mitokondriell fusion hade också en inneboende bioenergetisk effekt: Mitokondrier uppvisade mer cristae vid fusion och ökad dimerisering och aktivitet av ATP-syntaskomplexet.53 Detta kan förklara varför mitokondrier genomgår det motsatta väg (dvs. klyvning) vid lipidbelastning eller näringsöverskott. I den meningen visar nya experiment att mitokondriell fragmentering är ett fysiologiskt svar som ökar mitokondriell urkopplingskapacitet i bruna adipocyter.54 Ett högre klyvt tillstånd kan underlätta tillgången av fettsyror till UCP1, vilket driver dess aktivering.55 Liknande effekter av klyvning på energiförlust kan gälla för andra vävnader.56
Transgena musmodeller stöder också att mitokondriell fission inte i sig är ett märke för mitokondriell dysfunktion. Nedsatt mitokondriell fusion främjad av borttagning av Mfn1-genen i levern (Mfn1-LKO) ökar faktiskt hepatisk FAO-kapacitet.49 Mitokondriell andning i Mfn1 KO MEF är högre än i WT MEF vid galaktosbehandling, vilket tvingar celler att förlita sig på oxidativ metabolism .49 I linje med detta försämrades noradrenalininducerad syreförbrukning i bruna adipocyter med mer än 50% när mitokondriell fission komprometterades genom att uttrycka en dominerande negativ form av Drp1, ett nyckelprotein för mitokondriell fission.54 Dessa observationer antyder att mitokondriell fission kan förbättra FAO-kapaciteten som en skyddande anpassning mot lipidöverbelastning.
Effekten av Mfn2-uttryck i muskeln från överviktiga ämnen kan gå utöver dess inflytande på mitokondriella fusionsprocesser. Mfn2 är avgörande för bindningen och det funktionella förhållandet mellan mitokondrierna och det endoplasmatiska retikulumet (ER), 57 även om den exakta mekanismen förblir kontroversiell. 58, 59 Mfn2 spelar en avgörande roll i lipid- och Ca2 + -överföringen mellan ER och mitokondrier, 57 och Mfn2-radering har konsekvent associerats med en ökning av ER-stressmarkörer i de flesta celler och vävnader som hittills testats. 40, 57, 60 Däremot leder Mfn1-brist i hepatocyter inte till ER-stress.49 Mfn2 har också identifierats som en viktig underlättare för interaktionen mellan mitokondrier och lipiddroppen i brun fettvävnad (BAT) .40 Dessa roller bortom mitokondriell fusion kan förklara varför Mfn2, men inte Mfn1, har kopplats till metaboliska komplikationer. 47, 61
Med tanke på dödligheten hos Mfn2 knockout-möss i hela kroppen har 62 ett antal vävnadsspecifika knockout-modeller för Mfn2 genererats. Den första som rapporterades var den specifika borttagningen av Mfn2 i levern (Mfn2-LKO) .63 Mfn2-LKO-möss uppvisar djupa avvikelser vid glukoskontroll, kännetecknat av fastande hyperglykemi och glukosintolerans även när de matades med en vanlig diet.63 Dessa förändringar av glukos ledningen drevs av överdriven mitokondriell ROS-produktion och ökad ER-stress. I linje var det att lindra ER-stress med den molekylära chaperonen tauroursodeoxycholic acid (TUDCA) 64 för att förbättra insulinsignalering i lever från Mfn2-LKO-möss.63 Behandlingen med N-acetylcystein (NAC) lindrade ER-stress och insulinsignalering, vilket tyder på att ROS produktion är en viktig uppströmsutlösare i de metaboliska fenotyperna hos Mfn2-LKO-mössen.Det faktum att Mfn1-LKO-modellen inte delar dessa funktioner49 antyder vidare att fragmenteringen av mitokondriellt nätverk inte orsakar metaboliska komplikationer hos Mfn2-LKO-möss.
I en andra modell var Mfn2-floxade möss korsas med möss som uttrycker Cre-rekombinaset under MEF2C-promotorn. Mfn2-proteinuttryck i KO-gruppen reducerades markant (80% minskning) i skelettmuskulatur, hjärta och hjärna, och en nästan 50% reduktion detekterades i fettvävnader, njure eller lever.63 Dessa möss visar IR på låg fetthalt dieter och en förvärrad känslighet för att utveckla T2DM vid HFD-utfodring.63 Dessa effekter kan emellertid helt enkelt härröra från defekta hepatiska Mfn2-nivåer och mer specifika modeller kommer att krävas för att lösa upp effekterna av Mfn2 i perifer insulinkänslighet. I denna mening har en fettvävnadsspecifik Mfn2 knockout-mus (Mfn2-AKO) rapporterats nyligen. 40 Radering av Mfn2 i antingen BAT eller vit fettvävnad (WAT) ledde till en kraftigt komprometterad lipolytisk kapacitet och trubbig komplex I-aktivitet i deras mitokondrier.40 Överraskande nog var möss som saknade Mfn2 i fettvävnader motståndskraftiga mot att utveckla glukosintolerans vid HFD-matning. Detta var en följd av en glykolytisk omledning för att upprätthålla termogen aktivitet.40 I samma linje observerades också en glykolytisk omledning och skydd mot IR i skelettmuskeln hos möss som saknar optisk nervatrofi 1 (OPA1), GTPase-enzymet som förmedlar inre mitokondriell membranfusion.66
Som helhet tyder dessa resultat på att mitokondriell fragmentering är karakteristisk i vävnader från överviktiga individer som en följd av näringsämnen överskott och lipidöverskott. Genmodifierade musmodeller tyder dock på att mindre, mycket klyvda mitokondrier inte kan orsakas kausalt med IR.