Alla scoperta del potere nascosto dei mitocondri / Discovering the hidden power of mitochondria

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I mitocondri non hanno una forma stabile. Si allungano, si restringono, si fondono e si dividono in continuazione / Mitochondria do not have a stable form. They stretch, shrink, merge and divide continuously

E’ noto da tempo che i mitocondri sono la principale fonte di energia delle cellule. Ma dividendosi e combinandosi, questi organelli cellulari possono anche rilasciare segnali chimici che regolano le attività cellulari, compresa la generazione di nuovi neuroni.

Tra tutti gli organelli che si trovano all'interno delle cellule eucariotiche, i più conosciuti probabilmente sono i nuclei che proteggono il DNA, ma i mitocondri non sono da meno. E' noto che sono strutture a forma di fagiolo che galleggiano nel citoplasma, e sono quasi invariabilmente indicati come le "centrali elettriche" della cellula perché generano adenosina trifosfato (ATP), il combustibile della maggior parte dei processi metabolici.

Per più di un secolo, i biologi hanno creduto che la produzione di energia fosse il loro unico ruolo. Ma quella semplice immagine dei mitocondri si sta rivelando incredibilmente incompleta.

I mitocondri possono apparire statici e uniformi nei libri di testo, ma, come i ricercatori hanno capito presto, in realtà questi organelli cambiano costantemente forma attraverso cicli di fusione (in cui si combinano e si allungano) e fissione (in cui si dividono e si restringono). Formano reti tubolari altamente dinamiche e di breve durata che si infiltrano in tutta la cellula.

Di recente, è diventato chiaro che i mitocondri hanno anche funzioni di segnalazione e di regolazione che sono solo indirettamente collegate al loro compito di fornitori di energia. Negli ultimi anni, la ricerca ha rivelato che uno dei loro ruoli chiave è quello di controllare lo sviluppo e il ruolo finale delle cellule staminali.

Scienziati dell'Università di Ottawa, in Canada, hanno ora dimostrato che le trasformazioni morfologiche dei mitocondri influenzano fortemente la neurogenesi, lo sviluppo dei neuroni. Nel fare questa scoperta, gli scienziati hanno messo in relazione le transizioni di forma dell'organello e il modo in cui svolge le sue funzioni di segnalazione.

Segnali mitocondriali

I primi indizi che i mitocondri hanno un repertorio di di funzioni più ampio sono emersi a metà degli anni novanta. In uno studio pionieristico, ricercatori dell'Emory University e dell'Università del Minnesota stavano studiando l'apoptosi, il processo di morte cellulare programmata che elimina le cellule dai tessuti come parte normale della crescita e dello sviluppo, e hanno scoperto che per questo processo è cruciale il citocromo c, una proteina essenziale per la produzione di ATP. Il loro lavoro ha anche indicato che, almeno in linea di principio, i mitocondri potrebbero essere in grado di innescare la morte cellulare rilasciando il citocromo c che si trova nel citoplasma circostante.

Secondo Navdeep Chandel, professore di biochimica e biologia molecolare alla Northwestern University, questo è stato un momento di svolta per la biologia mitocondriale, perché ha suggerito che gli organelli potevano produrre segnali per controllare altri processi cellulari.

Lo studio ha spinto Chandel, poi all'Università di Chicago, e i suoi colleghi, a esaminare se i mitocondri potessero rilasciare anche altri segnali. Queste indagini hanno portato un paio d'anni dopo a una scoperta sulle specie reattive dell’ossigeno (ROS, reactive oxygen species), molecole instabili contenenti ossigeno, come perossidi, ossigeno singoletto e radicali idrossilici, che i mitocondri rilasciano mentre producono ATP. Hanno osservato che, in condizioni di carenza di ossigeno, i mitocondri producevano livelli più elevati di ROS, e le molecole in eccesso uscivano nel citoplasma, dove avrebbero facilitato l'espressione delle proteine che aiutano le cellule a sopravvivere.

Da allora, Chandel e altri hanno dimostrato che la segnalazione dovuta alle ROS mitocondriali è importante in vari processi. Un ruolo cruciale che è emerso è stato quello di promuovere la differenziazione di vari tipi di cellule staminali, comprese quelle delle cellule del sangue e delle cellule grasse - e, più recentemente, dei neuroni.

I motori del destino delle cellule staminali
Il mezzo principale delle cellule staminali per produrre energia è la glicolisi, un processo che genera ATP nel citoplasma, e non la fosforilazione ossidativa, il metodo preferito dalla maggior parte delle cellule mature e specializzate, che dipende dai mitocondri. Perché ci sia questa differenza non è noto: può avere qualcosa a che fare con la velocità o con i sottoprodotti di ciascun processo. Ma qualunque sia la ragione, per molto tempo quella differenza ha nascosto il ruolo dei mitocondri nelle cellule staminali, dice Mireille Khacho, biologa cellulare all'Università di Ottawa.

Struttura di un mitocondrio. / Structure of a mitochondria (Cortesia Lomonosov Moscow State University)

Le cellule staminali possono perpetuamente "autorinnovarsi" o creare sostituti più giovani di se stesse. Ma se invece si differenziano in specifici lignaggi, spostano la loro fonte primaria di combustibile dalla glicolisi alla fosforilazione ossidativa. Poiché quest'ultimo processo genera più ATP, inizialmente gli scienziati credevano che la trasformazione cellulare dovesse avere un elevato fabbisogno energetico che rendeva necessaria la transizione da una forma

Questa idea ha cominciato a cambiare all'inizio degli anni cinquanta, quando i risultati di un piccolo numero di lavori hanno suggerito che la modalità del metabolismo può influenzare direttamente le decisioni sul destino delle cellule.

In un articolo chiave del 2011, i ricercatori hanno studiato come riprogrammare le cellule adulte per trasformarle in cellule staminali pluripotenti indotte che, come le cellule staminali embrionali, possono proliferare e maturare in quasi tutti i tipi di cellule. Hanno così notato che, perché questa trasformazione avvenisse, le cellule dovevano passare dalla fosforilazione ossidativa alla glicolisi. Inoltre, hanno osservato che l'espressione delle proteine coinvolte nella produzione di energia mitocondriale diminuiva prima dell'aumento dell'espressione delle proteine coinvolte nella pluripotenza, suggerendo che il cambiamento metabolico fosse l'innesco della trasformazione delle cellule.

Fino a quella rivelazione, la maggior parte dei biologi che studiano le cellule staminali si era concentrata sulle modificazioni genetiche ed epigenetiche che controllano le transizioni di identità cellulare, dice Clifford Folmes, della Mayo Clinic di Phoenix, in Arizona, che è stato uno dei coautori di quello studio. Ma quell’articolo e altri dello stesso tenore hanno dimostrato che in realtà i fattori chiave del processo possono essere i cambiamenti nella funzione mitocondriale.

Individuare un ruolo nella neurogenesi

La scoperta che i mitocondri potrebbero controllare la riprogrammazione delle cellule ha spinto Khacho e Ruth Slack, la sua consulente post-dottorato all'Università di Ottawa, a studiare ulteriormente il ruolo degli organelli nelle cellule staminali neuronali.

Ampie prove avevano già indicato che i mitocondri sono importanti per la funzione cerebrale: Non solo i problemi di sviluppo neurologico sono conseguenze comuni di molti disturbi mitocondriali, ma diversi studi, sia nell'uomo che negli animali, hanno collegato i difetti nella fusione e nella fissione mitocondriale con disturbi dello sviluppo neurologico, come l'autismo, e con malattie neurodegenerative, come l'Alzheimer e la sclerosi laterale amiotrofica (SLA).

Nel 2016, Slack, Khacho e i loro colleghi hanno riferito le prime prove che il cambiamento di forma mitocondriale è un regolatore chiave del destino delle cellule staminali neurali, la decisione di auto-rinnovarsi o differenziarsi. Eliminando nei topi i geni che codificano le proteine chiave per i macchinari di fusione e di fissione, hanno scoperto che una carenza di proteine di fusione riduce la capacità delle cellule staminali neurali di ricostituirsi e incoraggia le cellule a diventare neuroni. Una perdita di proteine di fissione, d'altra parte, stimola le cellule staminali ad autorinnovarsi.

Il loro lavoro ha dimostrato che i cambiamenti nella forma e nell'architettura dei mitocondri sono tra i primi segnali – fra quelli più "a monte" del processo – che concorrono a determinare la direzione in cui andranno le staminali neurali.

Alla luce del legame - stabilito in precedenza - tra le alterazioni della macchina di fissione e fusione e disturbi neurodegenerativi, il team ha anche studiato se l'alterazione della dinamica mitocondriale fosse in grado di alterare la produzione di nuovi neuroni. Quando hanno eliminato le proteine di fusione nel cervello di topi adulti, hanno scoperto che questa alterazione del processo di cambiamento di forma riduceva il numero di nuovi neuroni prodotti nel cervello degli animali, causando disturbi della memoria e dell'apprendimento.

E’ noto che i difetti genetici possono alterare la fissione mitocondriale e la fusione negli esseri umani, ma l'idea che possano influenzare in modo particolare le cellule staminali non era stata ancora esplorata, ha detto Slack. "Quello su cui stiamo lavorando ora sta cercando di trovare nuovi modi, con mezzi dietetici o farmacologici, per migliorare la funzione mitocondriale nelle cellule staminali in modo da poter mantenere ottimali l'apprendimento e la memoria per tutto il tempo che possiamo".

Alessandro Prigione, esperto di cellule staminali al Max Delbrück Center for Molecular Medicine, in Germania, riconosce che diversi studi - compreso il suo - indicano l'importanza dei mitocondri nel destino delle cellule neuronali. Tuttavia, aggiunge, è troppo presto per dire esattamente in che modo la forma mitocondriale controlla la neurogenesi. "Penso che c’entrino la fissione e la fusione", ha detto, ma la morfologia mitocondriale è solo "un tassello del puzzle".

Prigione consiglia anche cautela nel trarre conclusioni sugli esseri umani sulla base dei risultati di studi sulla neurogenesi nei roditori. Questa è una considerazione particolarmente importante negli studi condotti su animali maturi, dice, perché la questione se il cervello umano adulto generi nuovi neuroni è ancora oggetto di dibattito.

Anche altri gruppi di ricerca hanno scoperto che il cambiamento della forma dei mitocondri controlla il destino delle staminali, ma sembrano esserci notevoli differenze tra le diverse varietà di cellule staminali e le condizioni sperimentali.

Gli studi sulla maggior parte dei tipi di staminali mostrano che i mitocondri sono radi e frammentati, ma che si allungano progressivamente a mano a mano che le cellule si differenziano. Gli esperimenti di Prigione, per esempio, hanno scoperto che questo è il caso delle cellule neuronali umane in coltura. Ma Slack e Khacho hanno visto il contrario nelle cellule staminali neurali dei roditori: nel loro lavoro, all’inizio i mitocondri nelle cellule staminali sono allungati, per poi frammentarsi nelle cellule progenitrici (che sono maggiormente coinvolte nel destino cellulare specifico) prima di diventare nuovamente allungati quando si differenziano in neuroni.

Il vero significato del lavoro di Slack e Khacho sulle cellule staminali neurali potrebbe essere che il ruolo dei mitocondri nella neurogenesi si riferisce a qualcosa di più dinamico della sola forma.

Secondo Khacho, è probabile che ciò che conta non sia la forma degli organuli in una cellula in un dato momento, ma piuttosto la loro capacità di trasformarsi attraverso la fissione e la fusione. La fissione e la fusione avvengono in continuazione, e finora, gli scienziati hanno guardato solo le istantanee di questo processo. "Forse è la plasticità, la capacità di cambiare a essere importante", ha detto Khacho.

Secondo David Chan, che al California Institute of Technology dirige un laboratorio che studia le cellule staminali, le dinamiche mitocondriali sono chiaramente importanti per la funzione delle staminali in generale, ma le dinamiche sono particolarmente complicate nelle cellule staminali neurali. "Al momento azzarderei una risposta semplice: forse le cellule neuronali sono solo diverse", ha detto.

Da centrali elettriche a centri di segnalazione
Il modo esatto in cui il cambiamento della forma mitocondriale può controllare le decisioni sul destino delle cellule è una questione aperta.

I risultati di Slack, Khacho e dei loro colleghi suggeriscono che i cambiamenti nella struttura mitocondriale potrebbero modificare la quantità di ROS nelle cellule. Hanno dimostrato che la fissione e la fusione possono controllare i livelli di ROS, che a loro volta possono regolare le decisioni delle cellule staminali di proliferare o differenziarsi.

"Quello che hanno trovato è qualcosa di interessante", ha detto Chandel. "Nei neuroni si ha lo stesso tipo di segnalazione ROS di cui parliamo da 20 anni, e la dinamica mitocondriale può controllarlo".

Ma le ROS sono probabilmente solo una parte della risposta. I mitocondri possono comunicare con la cellula in molti modi, per esempio attraverso la generazione di altri metaboliti, il rilascio e l'assorbimento di calcio e cambiamenti nel potenziale della membrana. "Qualsiasi molecola di segnalazione che deriva da cambiamenti metabolici - e si tratta davvero di molte molecole - potrebbe essere importante", ha detto Slack.

Inoltre, è improbabile che gli stessi segnali mitocondriali controllino il destino di tipi diversi di cellule staminali. "Sappiamo che [i mitocondri] partecipano a diversi processi di differenziazione", ha detto Luca Scorrano, biochimico all'Università di Padova. Ma "non appena esaminiamo la specificità del contributo mitocondriale... vediamo che le cascate di segnalazione regolate da dinamiche mitocondriali non sono necessariamente le stesse".

Sia Slack che Khacho sono alla ricerca di altri metaboliti mitocondriali che potrebbero essere coinvolti nel destino delle cellule staminali. Khacho, che ora dirige un proprio laboratorio all'Università di Ottawa, è passato dalle cellule staminali neurali a quelle muscolari, e spera di identificare somiglianze nella dinamica mitocondriale e nella segnalazione ROS in un altro tipo di cellule "Mi sono chiesto: c'è un'altra popolazione di cellule staminali che usa i mitocondri allo stesso modo?". "Spero poi di andare oltre, per cercare di identificare i meccanismi che regolano come avviene tutto ciò."

"Penso che sia un'area su cui si concentrerà molto più interesse", ha detto Slack. "Il fatto che i mitocondri possano segnalare al nucleo e alterare il destino della cellula, mi pare davvero importante". E poiché molte delle molecole di segnalazione sembrano essere dei metaboliti, gli scienziati dovrebbero essere in grado di manipolarli facilmente in un modo utile ad alterare il destino delle cellule o a rivitalizzare le popolazioni di cellule staminali esaurite. "Ecco perché siamo eccitati".

ENGLISH

It has long been known that mitochondria are the main energy source of cells. But by dividing and combining, these cellular organelles can also release chemical signals that regulate cellular activities, including the generation of new neurons.

Among all the organelles that are found inside eukaryotic cells, the most known are probably the nuclei that protect DNA, but the mitochondria are no less. It is known that they are bean-shaped structures that float in the cytoplasm, and are almost invariably referred to as the "power plants" of the cell because they generate adenosine triphosphate (ATP), the fuel of most metabolic processes.

For more than a century, biologists have believed that energy production was their only role. But that simple image of the mitochondria is proving incredibly incomplete.

Mitochondria may appear static and uniform in textbooks, but, as researchers soon realized, in reality these organelles constantly change form through fusion cycles (in which they combine and lengthen) and fission (in which they divide and become constrict). They form highly dynamic and short-lived tubular networks that infiltrate the entire cell.

Recently, it has become clear that mitochondria also have signaling and regulatory functions that are only indirectly related to their task as energy suppliers. In recent years, research has revealed that one of their key roles is to control the development and final role of stem cells.

Scientists from the University of Ottawa, Canada, have now shown that the morphological transformations of mitochondria strongly influence neurogenesis, the development of neurons. In making this discovery, the scientists related the shape transitions of the organelle and the way it performs its signaling functions.

Mitochondrial signals

The first clues that mitochondria have a broader repertoire of features emerged in the mid-1990s. In a pioneering study, researchers from Emory University and the University of Minnesota were studying apoptosis, the process of programmed cell death that eliminates cells from tissues as a normal part of growth and development, and found that for this process cytochrome c, a protein essential for ATP production, is crucial. Their work has also indicated that, at least in principle, mitochondria may be able to trigger cell death by releasing cytochrome c that is found in the surrounding cytoplasm.

According to Navdeep Chandel, a professor of biochemistry and molecular biology at Northwestern University, this was a turning point for mitochondrial biology, because it suggested that organelles could produce signals to control other cellular processes.

The study prompted Chandel, then at the University of Chicago, and his colleagues, to examine whether mitochondria could also release other signals. These investigations led a couple of years later to a discovery on reactive oxygen species (ROS), unstable oxygen-containing molecules such as peroxides, singlet oxygen and hydroxyl radicals, which the mitochondria release as they produce ATP. They observed that, under conditions of oxygen deficiency, the mitochondria produced higher levels of ROS, and excess molecules emerged into the cytoplasm, where they would facilitate the expression of proteins that help cells survive.

Since then, Chandel and others have shown that signaling due to mitochondrial ROS is important in various processes. A crucial role that has emerged has been to promote the differentiation of various types of stem cells, including those of blood cells and fat cells - and, more recently, of neurons.

The engines of stem cell fate

The main means of stem cells to produce energy is glycolysis, a process that generates ATP in the cytoplasm, and not oxidative phosphorylation, the method preferred by most mature and specialized cells, which depends on mitochondria. Why there is this difference is not known: it may have something to do with speed or with the by-products of each process. But whatever the reason, for a long time that difference has hidden the role of mitochondria in stem cells, says Mireille Khacho, cell biologist at the University of Ottawa.

Stem cells can perpetually "self-renew" or create substitutes younger than themselves. But if they differ in specific lineages, they shift their primary fuel source from glycolysis to oxidative phosphorylation. Since the latter process generates more ATP, initially scientists believed that cellular transformation should have a high energy requirement that made the transition from a form necessary

This idea began to change in the early 1950s, when the results of a small number of papers suggested that the mode of metabolism can directly influence decisions about cell fate.

In a key article in 2011, researchers studied how to reprogram adult cells to transform them into induced pluripotent stem cells that, like embryonic stem cells, can proliferate and mature into almost all cell types. They noted that, in order for this transformation to occur, the cells had to switch from oxidative phosphorylation to glycolysis. Furthermore, they observed that the expression of proteins involved in the production of mitochondrial energy decreased before the increase in the expression of proteins involved in pluripotency, suggesting that the metabolic change was the trigger for cell transformation.

Until that revelation, most stem cell biologists had focused on genetic and epigenetic modifications that control cellular identity transitions, says Clifford Folmes, of the Mayo Clinic in Phoenix, Arizona, who was one of the co-authors. of that study. But that article and others of the same tenor have shown that in reality the key factors in the process may be changes in mitochondrial function.

Identify a role in neurogenesis

The discovery that the mitochondria could control cell reprogramming prompted Khacho and Ruth Slack, his post-doctoral consultant at the University of Ottawa, to further study the role of organelles in neuronal stem cells.

Extensive evidence had already indicated that mitochondria are important for brain function: Neurological development problems are not only common consequences of many mitochondrial disorders, but several studies, both in humans and animals, have linked defects in fusion and mitochondrial fission with neurodevelopmental disorders, such as autism, and with neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's and amyotrophic lateral sclerosis (ALS).

In 2016, Slack, Khacho and their colleagues reported the first evidence that the change in mitochondrial form is a key regulator of the fate of neural stem cells, the decision to self-renew or differentiate. By eliminating the genes encoding key proteins for fusion and fission machinery in mice, they found that a lack of fusion proteins reduces the ability of neural stem cells to reconstitute and encourages cells to become neurons. A loss of fission proteins, on the other hand, stimulates stem cells to self-renew.

Their work has shown that changes in the shape and architecture of mitochondria are among the first signs - among those more "upstream" of the process - that combine to determine the direction in which neural stem cells will go.

In light of the link - established earlier - between the changes in the fission and fusion machine and neurodegenerative disorders, the team also investigated whether the alteration of mitochondrial dynamics was able to alter the production of new neurons. When they eliminated the fusion proteins in the brains of adult mice, they found that this alteration of the process of shape change reduced the number of new neurons produced in the animal's brain, causing memory and learning disorders.

It is known that genetic defects can alter mitochondrial fission and fusion in humans, but the idea that they can particularly influence stem cells has not yet been explored, Slack said. "What we are working on now is trying to find new ways, with dietary or pharmacological means, to improve mitochondrial function in stem cells so that we can keep learning and memory optimal for as long as we can."

Alessandro Prigione, a stem cell expert at the Max Delbrück Center for Molecular Medicine, in Germany, recognizes that several studies - including his own - indicate the importance of mitochondria in the fate of neuronal cells. However, he adds, it is too early to say exactly how the mitochondrial form controls neurogenesis. "I think there is fission and fusion in it," he said, but the mitochondrial morphology is only "a piece of the puzzle".

Prison also advises caution in drawing conclusions about humans based on the results of studies on neurogenesis in rodents. This is a particularly important consideration in studies conducted on mature animals, he says, because the question of whether adult human brain generates new neurons is still a matter of debate.

Other research groups have also discovered that the change in the shape of mitochondria controls the fate of stem cells, but there seem to be significant differences between the different varieties of stem cells and experimental conditions.

Studies on most types of stem cells show that mitochondria are sparse and fragmented, but that they progressively lengthen as cells differentiate. Prison experiments, for example, have discovered that this is the case of cultured human neuronal cells. But Slack and Khacho have seen the opposite in rodent neural stem cells: in their work, at the beginning the mitochondria in stem cells are stretched, to then fragment into the progenitor cells (which are more involved in the specific cell fate) before becoming again elongated when they differentiate into neurons.

The real meaning of Slack and Khacho's work on neural stem cells could be that the role of mitochondria in neurogenesis refers to something more dynamic than shape alone.

According to Khacho, it is likely that what matters is not the shape of the organelles in a cell at any given time, but rather their ability to transform themselves through fission and fusion. Fission and fusion occur all the time, and so far, scientists have only looked at snapshots of this process. "Maybe it's plasticity, the ability to change to be important," said Khacho.

According to David Chan, who runs a laboratory that studies stem cells at the California Institute of Technology, mitochondrial dynamics are clearly important for stem cell function in general, but the dynamics are particularly complicated in neural stem cells. "At the moment I would venture a simple answer: perhaps the neuronal cells are just different," he said.

From power stations to signaling centers

The exact way in which the change in the mitochondrial form can control decisions about cell fate is an open question.

The results of Slack, Khacho and their colleagues suggest that changes in the mitochondrial structure could change the amount of ROS in the cells. They have shown that fission and fusion can control ROS levels, which in turn can regulate stem cell decisions to proliferate or differentiate.

"What they found was something interesting," Chandel said. "In neurons we have the same type of ROS signaling that we've been talking about for 20 years, and mitochondrial dynamics can control it."

But ROSs are probably only part of the answer. Mitochondria can communicate with the cell in many ways, for example through the generation of other metabolites, the release and absorption of calcium and changes in membrane potential. "Any signaling molecule that results from metabolic changes - and it really is many molecules - could be important," Slack said.

Furthermore, the same mitochondrial signals are unlikely to control the fate of different types of stem cells. "We know that [the mitochondria] participate in different processes of differentiation," said Luca Scorrano, a biochemist at the University of Padua. But "as soon as we examine the specificity of the mitochondrial contribution ... we see that the signaling cascades regulated by mitochondrial dynamics are not necessarily the same".

Both Slack and Khacho are looking for other mitochondrial metabolites that could be involved in the fate of stem cells. Khacho, who now runs his own lab at the University of Ottawa, switched from neural stem cells to muscle cells, and hopes to identify similarities in mitochondrial dynamics and ROS signaling in another cell type "I asked myself: is there another population of stem cells that uses mitochondria in the same way? " "I hope then to go further, to try to identify the mechanisms that govern how this happens."

"I think it's an area where much more interest will be focused," Slack said. "The fact that the mitochondria can signal the nucleus and alter the fate of the cell seems to me really important." And because many of the signaling molecules appear to be metabolites, scientists should be able to easily manipulate them in a way that can alter cell fate or revitalize depleted stem cell populations. "That's why we're excited."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2019/03/23/news/funzione_mitocondri_destino_cellule_staminali_neuroni-4344324/?ref=nl-Le-Scienze_29-03-2019