Die neuste Forschung des USTC: Die Verzögerung des Alterns beginnt mit der Rettung der Mitochondrien!

Mitochondrien sind halbautonome Organellen, die in den meisten eukaryotischen Zellen vorkommen. Es enthält begrenztes genetisches Material und ist auch der Ort, an dem in der Zelle Energie produziert wird, um die Zelle mit Energie zu versorgen. Darüber hinaus sind Mitochondrien auch an physiologischen Prozessen wie Zelldifferenzierung, interzellulärer Informationsübertragung und Zellapoptose beteiligt und für die normalen physiologischen Funktionen verschiedener Zellen in unserem Körper von wesentlicher Bedeutung. Der Aufbau der Mitochondrien lässt sich von außen nach innen in die äußere Membran, den Intermembranraum, die innere Membran, die mitochondrialen Cristae (eine Struktur, die durch die Faltung der inneren mitochondrialen Membran in Richtung der mitochondrialen Matrix entsteht. Durch die Bildung der mitochondrialen Cristae vergrößert sich die Oberfläche der inneren mitochondrialen Membran) und die mitochondriale Matrix unterteilen (Abbildung 1).

Abbildung 1 Mitochondriale Struktur

Das Altern ist für jeden von uns ein unvermeidlicher Prozess. Im Laufe des Alterungsprozesses kommt es zu irreversiblen degenerativen Veränderungen der Gehirnstruktur, beispielsweise einer Verringerung des Volumens der Großhirnrinde. Diese strukturelle Veränderung beeinträchtigt zweifellos die normale Funktion des Gehirns, was sich in unserem täglichen Leben widerspiegelt, beispielsweise in einer verringerten Reaktionsfähigkeit, langsamen Bewegungen oder Veränderungen der psychischen Emotionen. In ähnlicher Weise verändert sich mit zunehmendem Alter auch die Struktur der Mitochondrien in jeder unserer Zellen. Dazu gehört das allmähliche Zurückziehen der mitochondrialen Cristae auf die innere Mitochondrienmembran, die Fragmentierung der mitochondrialen Matrix, die Bildung vesikelartiger Strukturen auf der inneren Mitochondrienmembran und die Dissoziation der dimeren ATPase auf der inneren Membran in Monomere. Schließlich reißt die äußere Membran und setzt apoptotische Faktoren in das Zytoplasma frei, was zum Zelltod führt[1]. Die molekularen Mechanismen, die diesen altersbedingten abnormalen Veränderungen der Mitochondrienstruktur zugrunde liegen, sind jedoch noch unklar.

Kürzlich veröffentlichte das Team um Liu Qiang von der University of Science and Technology of China eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Aging-induced tRNAGlu-derived fragment impairs glutamate biosynthesis by targeting mitochondrial translation-dependent cristae organization“ in der Zeitschrift Cell Metabolism [2]. In der Arbeit wurde festgestellt, dass Glutamat-Transfer-RNA (tRNAGlu), die aus den Kernen glutamaterger Neuronen im alternden Gehirn freigesetzt wird, in Mikro-RNA-Fragmente (von Transfer-RNA abgeleitete kleine RNA, tsRNA) – Glu-5'tsRNA-CTC – gespalten und in den Mitochondrien aggregiert wird, wodurch die Bindung von mitochondrialer Leucin-Transfer-RNA (mt-tRNALeu) und Leucin-Transfer-RNA-Synthetase 2 (Leucyl-tRNA-Synthetase2, LaRs2) unterbrochen und die Aminoacylierung mitochondrialer Leucin-Transfer-RNA sowie die Translation mitochondrial kodierter Proteine ​​beeinträchtigt wird. Darüber hinaus führt die Aggregation von Glu-5'tsRNA-CTC auch zu Veränderungen in der Struktur der mitochondrialen Cristae, wodurch der Glutaminase (GLS)-abhängige Prozess der Glutamatsynthese beeinträchtigt wird, der intersynaptische Glutamatgehalt reduziert wird und es zum Auftreten von altersbedingten Manifestationen wie Gedächtnisverlust kommt. Darüber hinaus hat diese Studie nicht nur die Bedeutung der mitochondrialen Ultrastruktur für die Aufrechterhaltung der Glutamathomöostase unter physiologischen Bedingungen aufgedeckt, sondern auch die pathologische Rolle von aus Transfer-RNA stammenden Mikro-RNA-Fragmenten bei der Alterung und altersbedingten Erkrankungen entdeckt.

Das Forschungsteam entdeckte zunächst durch RNA-Sequenzierung, dass im Vergleich zu jungen Mäusen die Menge an Glu-5'tsRNA-CTC im Gehirn gealterter Mäuse signifikant anstieg und dass dieser Anstieg von Glu-5'tsRNA-CTC durch Angiogenin (ANG, eine Ribonuklease der RNase-A-Familie, die für die Spaltung von Transfer-RNA verantwortlich ist) verursacht wurde. Bei jungen Menschen ist Angiogenin hauptsächlich in phosphorylierter Form im Zellkern verteilt. Mit zunehmendem Alter wird Angiogenin allmählich dephosphoryliert und verteilt sich nach und nach im Zytoplasma, um Transfer-RNA zu spalten, was zur Produktion einer großen Anzahl von Mikro-RNA-Fragmenten führt. Es ist erwähnenswert, dass die Serin-28-Stelle (Ser28) auf Angiopoietin die Stelle ist, die die Angiopoietin-Phosphorylierung vermittelt.

Durch Markerfärbeexperimente fand das Forschungsteam heraus, dass Glu-5'tsRNA-CTCs in den Mitochondrien von Neuronen konzentriert waren. Nach sorgfältigem Vergleich des Gehalts an Glu-5'tsRNA-CTCs in verschiedenen mitochondrialen Strukturen stellten sie fest, dass Glu-5'tsRNA-CTCs hauptsächlich in der mitochondrialen Matrix konzentriert waren. Überraschenderweise gibt es in den Mitochondrien kein Angiogenin, was darauf hindeutet, dass Glu-5'tsRNA-CTC auf andere Weise in die Mitochondrien gelangen muss, anstatt direkt in den Mitochondrien gespalten zu werden. RNA-Sonden und Massenspektrometrie-Analysen lieferten die Antwort. Die im Zytoplasma synthetisierte Leucin-Transfer-RNA-Synthetase 2 ist der „Komplize“, der an Glu-5'tsRNA-CTC bindet und ihm hilft, in die Mitochondrien einzudringen. Nachdem Leucin-Transfer-RNA-Synthetase 2 an die UUA-Stelle von Glu-5'tsRNA-CTC gebunden hat, wird Glu-5'tsRNA-CTC mit Hilfe der Leucin-Transfer-RNA-Synthetase 2 von den Mitochondrien in die mitochondriale Matrix aufgenommen. Diese Bindung verhindert jedoch, dass die Leucin-Transfer-RNA-Synthetase 2 mit ihrem ursprünglichen „Partner“, der mitochondrialen Leucin-Transfer-RNA, interagiert, da Glu-5'tsRNA-CTC die Bindungsstelle bereits im Voraus besetzt, wodurch eine normale Aminoacylierung der mitochondrialen Leucin-Transfer-RNA unmöglich wird (Abbildung 2).

Abbildung 2 Schematische Darstellung der kompetitiven Bindung zwischen Glu-5'tsRNA-CTC und mitochondrialer Leucin-Transfer-RNA

Leucin kommt in vielen Proteinen vor, die vom mitochondrialen Genom kodiert werden. Aufgrund der Interferenz von Glu-5'tsRNA-CTC kann Leucin nicht normal aminoacyliert werden, was dazu führt, dass es nicht in der Lage ist, mitochondriale Proteine ​​normal zu translatieren und zu produzieren. Wie im vorherigen Artikel erwähnt, ziehen sich die mitochondrialen Cristae im Laufe des Alterungsprozesses allmählich auf die innere Membran der Mitochondrien zurück. Mithilfe von Glu-5'tsRNA-CTC-Knockout-Mäusen und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) fand das Forschungsteam heraus, dass der Rückzug der mitochondrialen Cristae auf die durch Glu-5'tsRNA-CTC verursachte Unfähigkeit mitochondrialer Proteine ​​zurückzuführen ist, normal übersetzt zu werden. Dies führt letztendlich zu einer Beeinträchtigung der Mitochondrienfunktion.

Glutamat ist der häufigste exzitatorische Neurotransmitter bei der interneuronalen Signalübertragung. Es wird von der präsynaptischen Membran freigesetzt und von Glutamatrezeptoren auf der postsynaptischen Membran erkannt, um nachgeschaltete Signale zu aktivieren. Der letzte Schritt bei der Synthese von Glutamat in der präsynaptischen Membran ist die durch Glutaminase katalysierte Umwandlung von Glutamin in Glutamat, die sich auf den mitochondrialen Cristae befindet. Wenn es im Laufe des Alterns zu einer abnormen Struktur der mitochondrialen Cristae kommt, steigt der Ubiquitinierungsgrad der Glutaminase an, was dazu führt, dass eine große Menge an Glutaminase abgebaut wird und ihr Gehalt sinkt, was letztendlich zu einer Verringerung des Glutamatgehalts zwischen den Synapsen und einer deutlichen Verschlechterung der Gedächtnisleistung der Mäuse führt. Die obigen Ergebnisse weisen nicht nur direkt darauf hin, dass der Anstieg von Glu-5'tsRNA-CTC in direktem Zusammenhang mit altersbedingten Gedächtnisdefiziten steht, sondern legen auch nahe, dass eine Verringerung des Glu-5'tsRNA-CTC-Gehalts gealterte Mäuse vor mitochondrialen Funktionsstörungen, Störungen des Glutamatstoffwechsels und Gedächtnisstörungen schützen kann (Abbildung 3).

Abbildung 3 Schematische Darstellung der pathologischen Effekte von Glu-5'tsRNA-CTC

Neben einer Reihe von Studien an Mäusen fand das Forscherteam auch erhöhte Werte von Glu-5'tsRNA-CTC im Gehirn älterer Primaten (Rhesusaffen und Menschen). Diese Phänomene legen ferner nahe, dass Glu-5'tsRNA-CTC ein potenzielles Ziel für die Behandlung altersbedingter Gedächtnisstörungen sein könnte. Daher entwickelte das Forschungsteam zur Behandlung ein Antisense-Oligonukleotid (ASO), das auf Glu-5'tsRNA-CTC abzielt. Ein Antisense-Oligonukleotid ist ein chemisch synthetisiertes Oligonukleotid mit einer Länge von üblicherweise 12–30 Nukleotiden, das sich durch Basenpaarungsregeln mit der Ziel-RNA paaren und an diese binden kann, wodurch die Ziel-RNA abgebaut oder zerstört wird, oder das die Bindungsstelle der Ziel-RNA besetzt, wodurch diese nicht mehr normal translatiert werden kann und somit eine hemmende Rolle spielt. Das Forschungsteam verwendete erfolgreich Glu-5'tsRNA-CTC-Antisense-Oligonukleotide, um ideale therapeutische Wirkungen bei Mäusen zu erzielen. Obwohl dem Forschungsteam ein großer Durchbruch bei der Untersuchung von Glu-5'tsRNA-CTC, einem aus Transfer-RNA gewonnenen Mikro-RNA-Fragment, gelungen ist, gibt es in Zellen tatsächlich viele Mikro-RNA-Fragmente. Es ist nicht ausgeschlossen, dass auch andere microRNA-Fragmente bei physiologischen oder pathologischen Zuständen eine wichtige Rolle spielen. Vielleicht stellt die Kombination von Antisense-Oligonukleotiden mehrerer microRNA-Fragmente in Zukunft eine bessere Behandlungsmethode dar.

Quellen:

[1] Daum B, Walter A, Horst A, Osiewacz HD, Kühlbrandt W. Altersabhängige Dissoziation von ATP-Synthase-Dimeren und Verlust von inneren Membrancristae in Mitochondrien. Proc Natl Acad Sci US A. 17. September 2013;110(38):15301-6. doi: 10.1073/pnas.1305462110. Epub 2013, 4. September. PMID: 24006361; PMCID: PMC3780843.

[2] Li D, Gao X, Ma 10.1016/j.cmet.2024.02.011. Epub vor dem Druck. PMID: 38458203.