Disfunzione mitocondriale e sua associazione con disturbi legati all'età

Disfunzione mitocondriale:immagine credit Frontiers.

Secondo le Nazioni Unite (ONU), nel 2020 c’erano circa 727 milioni di persone di età pari o superiore a 65 anni e in futuro il numero di persone anziane aumenterà rispetto alla popolazione più giovane. Ciò suggerisce la necessità di comprendere il processo di invecchiamento per migliorare l’aspettativa di vita e la salute degli individui.

Negli esseri umani, l’invecchiamento generalmente inizia dopo i trent’anni come risultato dell’aggregazione di cambiamenti fisici, fisiologici, psicologici e sociali che portano a un declino generale del benessere fisico e mentale e a una riduzione della mobilità. L’invecchiamento è un processo complesso, multifattoriale e a lungo termine che colpisce gli individui a vari livelli, tra cui molecolare, cellulare, tissutale, d’organo e di sistema. E’ associato all’insorgenza di varie malattie e condizioni legate all’età, comprese le malattie cardiovascolari come aterosclerosi, ipertensione e problemi cardiaci, insieme ad altre malattie come diabete mellito, artrite, cataratta, perdita dell’udito, indebolimento della risposta immunitaria, cancro, insorgenza di malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson nelle fasi avanzate della vita.

Gli studi sull’invecchiamento negli esseri umani e nei modelli animali hanno identificato vari processi ed eventi cellulari associati all’invecchiamento e alle malattie legate all’età. Hanno proposto nove caratteristiche distintive dell’invecchiamento: instabilità genomica, accorciamento dei telomeri, alterazioni epigenetiche, perdita di proteostasi, rilevamento deregolato dei nutrienti, senescenza cellulare, esaurimento delle cellule staminali, alterata comunicazione intracellulare e disfunzione mitocondriale. È stata identificata l’interazione tra questi segni distintivi dell’invecchiamento, che ha fatto maggiore luce sul meccanismo molecolare del processo di invecchiamento. Tra questi segni distintivi dell’invecchiamento, la disfunzione mitocondriale è stata studiata in modo esaustivo per il suo ruolo nell’invecchiamento. Inoltre, l’interazione tra la disfunzione mitocondriale e altri segni distintivi dell’invecchiamento suggerisce che la disfunzione mitocondriale influenza attivamente il processo di invecchiamento contribuendo ad altri segni distintivi dell’invecchiamento.

I mitocondri sono organelli unici a doppia membrana che sono venuti all’esistenza grazie all’inglobamento di un alfa-proteobatterio da parte di una cellula progenitrice eucariotica in un processo di endosimbiosi, dimostrando importanza evolutiva nel progresso della vita eucariotica. I mitocondri, oltre al nucleo, comprendono il loro genoma, metaboloma, trascrittoma e proteoma. I mitocondri sono considerati una centrale energetica cellulare, responsabili di circa il 95% della produzione cellulare di ATP. Sono responsabili di un contributo significativo al mantenimento dell’omeostasi cellulare partecipando a processi metabolici come il ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) e la fosforilazione ossidativa (OXPHOS).

Oltre a regolare l’energetica cellulare, i mitocondri svolgono anche un ruolo essenziale nella segnalazione del calcio intracellulare, nella termogenesi, nell’apoptosi, nella generazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e nella regolazione della risposta allo stress ossidativo. Qualsiasi difetto o deficit nel numero e nella funzione dei mitocondri potrebbe essere responsabile del danno cellulare. È stato riportato che la disfunzione mitocondriale è associata all’invecchiamento e a quasi tutte le malattie croniche associate all’invecchiamento mattraverso una ridotta produzione di ATP, un’alterazione nella regolazione dell’apoptosi, un aumento della produzione di ROS e una segnalazione del calcio difettosa.

L’accumulo di mutazioni nel DNA mitocondriale (mtDNA) è la causa primaria delle anomalie mitocondriali, contribuendo ulteriormente all’invecchiamento e alle malattie associate. In questo articolo, forniamo una descrizione dettagliata della disfunzione mitocondriale, delle sue implicazioni nel processo di invecchiamento, dell’insorgenza delle malattie associate all’età e dei potenziali interventi terapeutici mirati alla disfunzione mitocondriale, al fine di sviluppare una strategia efficace per il trattamento delle malattie legate all’età.

Mutazioni del DNA mitocondriale (mtDNA) e invecchiamento

Il genoma mitocondriale umano è costituito da un piccolo DNA circolare a doppio filamento lungo 16.569 bp, che contiene 37 geni che codificano per 13 polipeptidi, 2 rRNA e 22 tRNA. Tutti questi 13 polipeptidi codificati dal mtDNA sono componenti attivi del sistema di fosforilazione ossidativa. I mitocondri contengono diverse copie di mtDNA e la sua replicazione è un processo indipendente dal ciclo cellulare e relativamente dinamico. La replicazione del mtDNA è regolata da diverse proteine mitocondriali specifiche come la polimerasi gamma A mitocondriale (PolγA), TWINKLE e la proteina legante il singolo filamento mitocondriale (mtSSB). Il mtDNA è organizzato in nucleoidi, aggregati di una o più copie di mtDNA legate a proteine che si legano al DNA mitocondriale, come il fattore di trascrizione mitocondriale (TFAM). L’associazione del mtDNA con le proteine leganti il DNA protegge il DNA dai ROS e dalle specie reattive dell’azoto (RNS) prodotte durante il metabolismo mitocondriale. Il mtDNA ha un tasso di mutazione fino a 15 volte superiore e un meccanismo di riparazione del DNA meno efficiente rispetto al DNA nucleare.

L’accumulo di mutazioni nel mtDNA oltre una soglia critica può portare a significativi effetti avversi sul funzionamento mitocondriale e mutazioni nei componenti dei complessi OXPHOS, con conseguente disfunzione mitocondriale e aumento della produzione di ROS. Secondo alcuni studi, sono stati osservati aumenti legati all’età nelle mutazioni puntiformi e di delezione del mtDNA in vari tessuti umani, tra cui cervello, cuore, colon e muscolo scheletrico. Tuttavia, il ruolo di queste mutazioni nel fenotipo dell’invecchiamento e se siano la causa o l’effetto dell’invecchiamento non è ancora chiaro.

Uno studio nel modello murino mutatore del mtDNA ha fornito maggiori informazioni sull’accumulo di mutazioni nel mtDNA e sulle sue implicazioni nei fenotipi dell’invecchiamento. Questo modello è stato sviluppato mediante knock-in omozigote di PolγA privo di attività esonucleasica. Un altro studio (Edgar e Trifunovic, 200) ha suggerito che un aumento della frequenza delle mutazioni nel mtDNA ha portato a una riduzione della durata della vita e all’insorgenza prematura del fenotipo dell’invecchiamento, tra cui ridotta fertilità, anemia, osteoporosi, perdita di capelli, curvatura della colonna vertebrale, riduzione del peso corporeo e morte prematura in questo topo.

L’accumulo di mutazioni nel mtDNA e le sue implicazioni nel processo di invecchiamento

Ulteriori ricerche utilizzando topi con un genoma nucleare di tipo selvatico e mutazioni del mtDNA ereditate da una madre eterozigote per l’allele mutatore (PolγAwt/mut) hanno dimostrato che bassi livelli di mutazioni del mtDNA trasmesse dalla linea germinale possono avere effetti a lungo termine, tra cui invecchiamento precoce e una diminuzione della durata della vita.

Aumento della produzione di ROS mitocondriali e invecchiamento

I mitocondri ospitano la fosforilazione ossidativa (OXPHOS) e la produzione di ATP con l’aiuto della catena di trasporto degli elettroni situata nella membrana interna dei mitocondri. La catena di trasporto degli elettroni situata nella membrana mitocondriale interna è costituita da quattro complessi proteici ed è accoppiata all’ATP sintasi, un enzima che produce ATP. Le specie reattive dell’ossigeno (ROS) sono considerate sottoprodotti indesiderati e tossici del sistema di trasporto degli elettroni mitocondriale.

Le ROS sono specie chimiche estremamente reattive.

Il sistema di trasporto degli elettroni mitocondriale produce quasi il 90% delle ROS cellulari totali, rendendolo un importante generatore di ROS nelle cellule. Le ROS sono molecole altamente reattive che possono portare al deterioramento ossidativo di molecole come proteine, lipidi e DNA. Portano a varie lesioni del DNA, tra cui basi del DNA ossidate e rotture del filamento di DNA. Oltre ai suoi effetti dannosi nell’indurre stress ossidativo nelle cellule, le ROS agiscono anche come molecole di segnalazione che influenzano vari percorsi cellulari e migliorano la difesa immunologica contro i patogeni.

Molti studi focalizzati sull’invecchiamento dimostrano che le ROS sono uno dei principali mediatori del danno cellulare correlato all’età e della patogenesi di alcune malattie neurodegenerative associate all’età. Inoltre, molte teorie che spiegano il processo di invecchiamento, tra cui la teoria dei radicali liberi e la teoria mitocondriale dell’invecchiamento, si basano sugli effetti dannosi delle ROS e sul danno cellulare associato. Sebbene livelli elevati di ROS portino in genere a danni cellulari e accelerino l’invecchiamento, quantità inferiori potrebbero migliorare i meccanismi di difesa generali innescando una reazione adattativa. Questo fenomeno è stato definito ormesi mitocondriale.

Il danno cumulativo ai mitocondri e l’accumulo di mutazioni nel mtDNA causati dalle ROS portano al deterioramento delle funzioni mitocondriali a causa dell’alterazione dell’espressione dei componenti della catena di trasporto degli elettroni. Il danno mediato dalle ROS nel macchinario OXPHOS altera l’attività enzimatica degli enzimi respiratori mitocondriali e riduce il potenziale di membrana mitocondriale, portando a una produzione di ATP compromessa.

Secondo la teoria dei radicali liberi dell’invecchiamento, la produzione di radicali liberi tramite i mitocondri, il danno ossidativo dei tessuti, l’invecchiamento e le malattie correlate all’invecchiamento sono interconnessi, influenzando infine la fisiologia e il metabolismo di un individuo. Questi includono: l’assenza di specifici fattori di crescita, ormoni, danni al DNA, agenti chemioterapici, carenza di siero, radiazioni UV, tossine, alcune condizioni come ipertermia, ipossia, infezioni virali, radicali liberi che influenzano il potenziale di membrana mitocondriale, livelli aumentati di Ca+2, formazione di specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto e declino dello stato redox. La durata della vita dei topi transgenici è stata esaminata in un’altra indagine per determinare l’impatto della sovraespressione degli enzimi antiossidanti. Può verificarsi la sovraespressione della superossido dismutasi rame-zinco (CuZnSOD) e della catalasi o della CuZnSOD e della superossido dismutasi manganese (MnSOD). È noto che il superossido e il perossido di idrogeno nei compartimenti citosolici e mitocondriali vengono eliminati dalla sovraespressione di questi importanti enzimi antiossidanti. Pertanto, la durata della vita dei topi non è aumentata dalla sovraespressione degli enzimi antiossidanti. Ciò si verifica perché l’aumento dei livelli di ROS può causare danni al DNA mitocondriale, come mostrato nella Figura 1 portando a un declino della funzione mitocondriale. Questo declino della funzione, a sua volta, porta a un aumento dello stress ossidativo che innesca una cascata di segnalazione che contribuisce ai cambiamenti della struttura della pelle e al fotoinvecchiamento. Inoltre, attraverso alcuni geni di segnalazione come NF-kβ e AP-1, i ROS possono aumentare l’espressione di citochine proinfiammatorie e indurre infiammazione. I ROS possono anche danneggiare direttamente la pelle aumentando l’espressione di MMP. Le mutazioni del DNA indotte dai ROS, la perossidazione lipidica e l’ossidazione proteica sono tutte implicate nello sviluppo dell’invecchiamento cutaneo e del fotoinvecchiamento.

FIGURA 1