I mitocondri naturalmente invecchiati possono migliorare lo studio dell'invecchiamento cerebrale / Naturally Aged Mitochondria May Improve Study of Brain Aging

I mitocondri naturalmente invecchiati possono migliorare lo studio dell'invecchiamento cerebrale / Naturally Aged Mitochondria May Improve Study of Brain Aging

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

Quando i mitocondri all'interno dei neuroni invecchiano, perdono vigore, lasciando il cervello più vulnerabile alle malattie legate all'età ed ai danni dell'invecchiamento in generale. Eppure i mitocondri ben invecchiati sono generalmente difficili da trovare, almeno nei modelli di laboratorio, che tendono a perdere i marcatori genetici dell'invecchiamento, sia a livello nucleare che mitocondriale. Sfortunatamente, i mitocondri che hanno i loro indicatori di invecchiamento ripristinati con mezzi artificiali, da stress chimici, possono mancare di tutte le sottigliezze dei mitocondri naturalmente invecchiati. Di conseguenza, i mitocondri naturalmente invecchiati sarebbero una gradita aggiunta ai modelli di invecchiamento di laboratorio.

Tali mitocondri, infatti, sono stati introdotti in un nuovo modello di invecchiamento neuronale in vitro. Questo modello si basa su un processo chiamato conversione diretta da fibroblasti a neuroni indotti (iN). A differenza di un processo alternativo, la differenziazione delle cellule staminali pluripotenti indotte, la conversione iN produce neuroni funzionali che conservano importanti segni di invecchiamento.

Il nuovo modello, sviluppato dai ricercatori del Salk Institute, è stato descritto il 29 maggio sulla rivista Cell Reports, in un articolo intitolato "I difetti dell'invecchiamento mitocondriale emergono nei neuroni umani direttamente riprogrammati a causa del loro profilo metabolico". L'articolo suggerisce che il nuovo modello potrebbe replicare gli effetti dell'invecchiamento progressivo.

"Qui, abbiamo analizzato le caratteristiche mitocondriali in iN di individui di età diverse", hanno scritto gli autori dell'articolo. "IN di vecchi donatori mostrano una diminuzione dell'espressione genica correlata alla fosforilazione ossidativa (OXPHOS), morfologie mitocondriali assonali alterate, potenziali di membrana mitocondriale inferiori, ridotta produzione di energia e aumento dei livelli di proteine ​​ossidate".

"Praticamente ogni area che abbiamo esaminato presentava difetti", ha detto Jerome Mertens, Ph.D., un co-corrispondente autore del nuovo articolo e uno scienziato del personale nel laboratorio di Rusty Gage, Ph.D., un professore di Salk's Laboratorio di Genetica.

I ricercatori hanno ipotizzato che il motivo per cui i mitocondri degli iNs fossero più influenzati dall'invecchiamento rispetto ai mitocondri delle cellule della pelle fosse che i neuroni si affidano maggiormente ai mitocondri per i loro bisogni energetici. "Se hai una vecchia macchina con un motore difettoso che si trova nel tuo garage ogni giorno, non importa", ha spiegato Mertens. "Ma se viaggi con quella macchina, il motore diventa un grosso problema."

"... i fibroblasti da cui sono stati generati iNs mostrano solo lievi cambiamenti dipendenti dall'età, coerenti con un passaggio metabolico da fibroblasti dipendenti dalla glicolisi a iNs dipendenti da OXPHOS", ha continuato l'articolo. "In effetti, i vecchi fibroblasti indotti da OXPHOS mostrano un aumento delle caratteristiche dell'invecchiamento mitocondriale simili agli iNs".

In precedenza, il laboratorio Gage ha sviluppato un metodo per convertire direttamente le cellule della pelle in neuroni (chiamati neuroni indotti o iNs). La maggior parte dei metodi per creare neuroni dalle cellule dei pazienti si basa su un passaggio intermedio delle cellule staminali (la creazione di quelle che vengono chiamate cellule staminali pluripotenti indotte), che ripristina i marcatori cellulari dell'invecchiamento. Ma gli iN del laboratorio Gage hanno mantenuto i segni dell'invecchiamento, comprese le modifiche all'attività genica ed ai nuclei delle cellule, ha riferito il gruppo nel 2015.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno chiesto se i mitocondri nelle cellule conservassero anche i segni dell'invecchiamento durante il processo di conversione iN. Utilizzando cellule della pelle raccolte da esseri umani di età compresa tra 0 e 89 anni, il team ha creato iN da ciascun donatore e quindi ha utilizzato una varietà di metodi per studiare i mitocondri di ciascun gruppo di cellule.

I mitocondri nelle cellule della pelle isolate da ogni persona hanno mostrato pochi cambiamenti legati all'età. Tuttavia, una volta che le cellule sono state convertite direttamente in neuroni, i mitocondri dei donatori più anziani erano significativamente diversi. I geni mitocondriali relativi alla generazione di energia sono stati disattivati ​​ed i mitocondri erano meno densi e più frammentati e hanno generato meno energia.

"La maggior parte degli altri metodi utilizza stress chimici sulle cellule per simulare l'invecchiamento", ha detto Gage, autore senior del nuovo articolo. "Il nostro sistema ha il vantaggio di mostrare cosa succede ai mitocondri che invecchiano naturalmente, all'interno del corpo umano".

I ricercatori vogliono ora iniziare ad applicare il loro metodo per studiare le malattie legate all'età, tra cui l'Alzheimer ed il Parkinson. In passato, i difetti mitocondriali sono stati implicati in queste malattie. Raccogliendo le cellule della pelle dai pazienti e creando iN, il team può osservare come i mitocondri neuronali dei pazienti con queste malattie sono diversi dai mitocondri neuronali degli individui anziani non affetti.

ENGLISH

When the mitochondria within neurons age, they lose vigor, leaving the brain more vulnerable to age-related diseases and the ravages of aging generally. Yet well-aged mitochondria are usually hard to come by, at least in laboratory models, which tend to lose genetic markers of aging—at both the nuclear and mitochondrial levels. Unfortunately, mitochondria that have their markers of aging restored by artificial means, by chemical stresses, may lack all the subtleties of naturally aged mitochondria. Consequently, naturally aged mitochondria would be a welcome addition to laboratory models of aging.

Such mitochondria have, in fact, been introduced to a new in vitro neuronal model of aging. This model relies on a process called direct fibroblast-to-induced neuron (iN) conversion. Unlike an alternative process, the differentiation of induced pluripotent stem cells, iN conversion yields functional neurons that retain important signs of aging.

The new model, which was developed by researchers based at the Salk Institute, was described May 29 in the journal Cell Reports, in an article entitled “Mitochondrial Aging Defects Emerge in Directly Reprogrammed Human Neurons due to Their Metabolic Profile.” The article suggests that the new model could replicate the effects of progressive aging.

“Here, we analyzed mitochondrial features in iNs from individuals of different ages,” the article’s authors wrote. “iNs from old donors display decreased oxidative phosphorylation (OXPHOS)-related gene expression, impaired axonal mitochondrial morphologies, lower mitochondrial membrane potentials, reduced energy production, and increased oxidized proteins levels.”

“Pretty much every area we looked at had defects,” said Jerome Mertens, Ph.D., a co-corresponding author of the new paper and a staff scientist in the laboratory of Rusty Gage, Ph.D., a professor in Salk's Laboratory of Genetics.

The researchers hypothesized that the reason the mitochondria of iNs were more impacted by aging than the mitochondria of skin cells was that neurons rely more heavily on mitochondria for their energy needs. “If you have an old car with a bad engine that sits in your garage every day, it doesn't matter,” Mertens explained. “But if you're commuting with that car, the engine becomes a big problem.”

“…the fibroblasts from which iNs were generated show only mild age-dependent changes, consistent with a metabolic shift from glycolysis-dependent fibroblasts to OXPHOS-dependent iNs,” the article continued. “Indeed, OXPHOS-induced old fibroblasts show increased mitochondrial aging features similar to iNs.”

Previously, the Gage lab developed a method to directly convert skin cells into neurons (called induced neurons, or iNs). Most methods to create neurons from patient cells rely on an intermediary stem cell step (creating what are called induced pluripotent stem cells), which resets cellular markers of aging. But the Gage lab's iNs retained signs of aging, including changes to gene activity and the cells' nuclei, the team reported in 2015.

In the new work, the researchers asked whether mitochondria in the cells also retained hallmarks of aging during the iN conversion process. Using skin cells collected from humans ranging in age from 0 to 89 years old, the team created iNs from each donor and then used a variety of methods to study the mitochondria of each set of cells.

Mitochondria in the skin cells isolated from each person showed few age-related changes. However, once the cells were directly converted to neurons, mitochondria from older donors were significantly different. Mitochondrial genes related to energy generation were turned off and the mitochondria were less dense and more fragmented and generated less energy.

“Most other methods use chemical stresses on cells to simulate aging,” said Gage, the new paper’s senior author. “Our system has the advantage of showing what happens to mitochondria that age naturally, within the human body.”

The researchers next want to begin to apply their method to study age-related diseases, including Alzheimer's and Parkinson's. In the past, mitochondrial defects have been implicated in these diseases. By collecting skin cells from patients and creating iNs, the team can look at how neuronal mitochondria from patients with those diseases are different from neuronal mitochondria from unaffected older individuals.

Da:

https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/naturally-aged-mitochondria-may-improve-study-of-brain-aging/