Mitochondriální fyziologie

Jabůrek, M., Klöppel, E., Průchová, P., Mozheitova, O., Tauber, J., Engstová, H., & Ježek, P. (2024). Mitochondria to plasma membrane redox signaling is essential for fatty acid β-oxidation-driven insulin secretion. Redox Biology, 75, 103283 . https://doi.org/10.1016/j.redox.2024.103283

β-buňky fungují jako klíčové „senzory paliva“, které aktivně monitorují zvýšené množství živin a reagují na něj uvolňováním inzulinu. Mitochondrie jsou nezbytné pro správné fungování pankreatických β-buněk a hrají zásadní roli při tvorbě metabolických klíčových faktorů, jako je ATP, které se nakonec podílejí na uzavírání ATP-senzitivních K+ kanálů. Toto uzavření má za následek depolarizaci plazmatické membrány, která aktivuje napěťově řízené vápníkové kanály (CaV), což umožňuje influx Ca2+. Zvýšená koncentrace volného Ca2+ v cytosolu vyvolá uvolnění granulí obsahujících inzulin prostřednictvím exocytózy. Někteří autoři však předpokládají, že tento model je neúplný, a naznačují, že se na zesílení signálu a uvolnění inzulinu mohou podílet další složky
Ačkoli primárním spouštěčem uvolňování inzulínu je vysoká hladina glukózy v krvi, sekreci inzulínu ze slinivky mohou zvýšit i další nutriční faktory – včetně specifických aminokyselin, ketokyselin, některých hormonů a mastných kyselin. V této studii se zaměřujeme na sekreci inzulinu stimulovanou mastnými kyselinami (FASIS). Prokázali jsme, že redoxní signalizace je pro FASIS klíčová při nestimulujících hladinách glukózy. Dále jsme zjistili, že samotný zvýšený poměr ATP/ADP nestačí k vyvolání sekrece inzulinu.
Navrhujeme mechanismus FASIS, který zdůrazňuje roli mitochondriální fosfolipázy iPLA2γ v regulaci sekrece inzulínu. Za nestimulačních podmínek glukózy zvyšuje nárůst volných mastných kyselin β-oxidaci, což vede ke zvýšené produkci mitochondriálních oxidantů a aktivaci iPLA2γ. iPLA2γ pak katalyzuje hydrolýzu fosfolipidů za vzniku volných mastných kyselin. Tyto endogenní mitochondriální mastné kyseliny fungují jako preferovaní agonisté GPR40. Tento sled událostí stimuluje uvolňování Ca²⁺ z intracelulárních zásob a nakonec podporuje sekreci inzulinu. Naše experimenty s použitím iPLA2γ knockoutovaných myší poskytují další podporu této hypotéze.
Závěrem jsme prokázali souvislost mezi redoxními signály generovanými β-oxidací, aktivací iPLA2γ a uvolňováním inzulínu v β-buňkách pankreatu.

Věnováno grantům Grantové agentury ČR (GAČR): č. 20-00408S, 21-01205S, 24-10132S , vše P.J. a 22-17173S M.J.; dále projektu CarDia, tj. projektu „Národní ústav pro výzkum metabolických a kardiovaskulárních onemocnění“ (Program EXCELES, ID projektu č. LX22NPO5104) – financovaného Evropskou unií – Next Generation EU.

https://doi.org/10.1186/s40170-024-00335-5

Aminokyseliny s rozvětveným řetězcem (BCAA) jsou esenciální aminokyseliny, jejichž katabolismus probíhá v mitochondriích. V současné době známe roli BCAA při transaminaci, úplné oxidaci a jako metabolických prekurzorů, tj. cholesterolu a některých typů mastných kyselin (MK). Kromě toho se leucin podílí na aktivaci signalizace rapamycinového komplexu 1 (mTORC1). Interference katabolismu BCAA s jinými metabolickými drahami není prozkoumána a její důsledky na úrovni buňky zůstávají zcela neznámé. Proto jsme provedli analýzu metabolismu BCAA s cílem odhalit specifika využití BCAA v buňkách odvozených od karcinomu pankreatu.

            Během růstu nádoru může dojít ke snížení nebo úplnému vyčerpání živin v nádorovém mikroprostředí. Podle našich údajů nedostatek BCAA významně ovlivňuje růst a bioenergetickou kapacitu buněk PDAC. Přestože BCAA nejsou v buňkách PDAC zcela oxidovány, metabolismus BCAA pravděpodobně zasahuje do jiných anabolických a katabolických drah.

Hlavním zjištěním naší práce bylo, že buňky PDAC reagují na nedostatek BCAA prostřednictvím DGAT1-dependentní syntézy triacylglycerolu (TG) a biogenezí lipidových kapének (LD). K tomu dochází po aktivaci autofagie, která je spuštěna vyčerpáním BCA. Autofagie vede k rozkladu buněčných membrán a uvolnění volných mastných kyselin (FA), které následně esterifikují diacylglyceroly.

            Mechanismus přesměrování volných FA do syntézy TG zahrnuje inhibovaný import cytosolických FA do mitochondrií. Tento fenotyp je způsoben inhibicí syntézy karnitinů s dlouhým řetězcem (LC-CAR) v důsledku zmírnění signalizace 5′ AMP-aktivované proteinkinázy (AMPK). Snížená aktivita AMPK aktivuje acetyl-CoA karboxylázu (ACC) a inhibuje karnitin palmitoyltransferázu 1A (CPT1) zvýšenou produkcí malonyl-CoA. Adaptační mechanismus buněk PDAC na depleci BCAA tedy zahrnuje potlačení oxidace FA v mitochondriích, což vede k přesměrování FA do TG a LD.

Došli jsme k závěru, že snížená spotřeba BCAA může regulovat tok FA do β-oxidace a chránit před přetížením mitochondrií. Navrhujeme, že omezení importu FA do mitochondrií chrání buňky před mitochondriální lipotoxicitou a tento mechanismus by mohl představovat univerzální odpověď na poruchy metabolismu aminokyselin během růstu rakoviny, která reguluje využití FA v buňce a jejich ukládání. Naše studie poskytla nový pohled na vzájemnou interakci mitochondrií a cytosolu zprostředkované metabolickou signalizací.

            Studie byla podpořena grantem NV19-01-00101 Rady pro zdravotnický výzkum ČR.

Obrázek : 

Nový mechanismus tvorby lipidových kapének. Inhibovaný import mastných kyselin do mitochondrií během nedostatku BCAA v buňkách PDAC vede k přesměrování aktivovaných mastných kyselin do lipidových kapének a chrání před přetížením mitochondrií. Vytvořeno s BioRender.com

Chiang , ACY – Ježek, J. – Mu, P. – Di, Y. – Klucnika , A. – Jabůrek, Martin – Ježek, Petr – Máma , H.
Two mitochondrial DNA polymorphisms modulate cardiolipin binding and lead to synthetic lethality.
Nature Communications. 2014; 15 (1): 611. https://doi.org/10.1038/s41467-024-44964-2

Mitochondriální DNA (mtDNA) ve vajíčku je ~1000krát expandována z jediného klonu primordiálních buněk s jedinou sekvencí, jejíž funkčnost se kontroluje pomocí membránového potenciálu vzniklých primordiálních mitochondrií se správně exprimovanými produkty mtDNA. Navzdory tomuto efektu úzkého hrdla dochází k heteroplazmii (několik sekvencí v jedné buňce). V laboratoři Dr. Hansonga Ma byly vyvinuty postupy, jak zachránit mutovanou mtDNA na modelu Drosophily v případě letální mutace T300I v podjednotce cytochrom c oxidázy I. Záchrana letálního fenotypu byla možná změnami na jiné podjednotce cytochrom c oxidázy, podjednotce III, v sekvenci kódující pozici 109 aminokyselin. Bylo zjištěno, že záchrana je založena na správné vazbě mitochondriálního lipidu kardiolipinu, který zabraňuje nestabilitě vnesené letální mutací. Navíc bylo zjištěno, že mitochondriální fosfolipáza iPLA2/PNPLA8 je nezbytná pro modulaci posledních kroků přestavby kardiolipinu, což potvrdila lipidomika provedená v pražské laboratoři. Na příkladu Drosophila modelu tak byla demonstrována proveditelnost  genetických interakčních screeningů v živočišné mitochondriální DNA.  Podrobně byl ilustrován exemplární případ specifické kauzality mutací mtDNA a z nich vyplývajících změn v podjednotkách cytochrom c oxidázy určujících správnou funkci a způsobujících při nesprávné mutaci letální dysfunkci.

Studie byla podpořena granty Grantové agentury České republiky (GAČR) 22-17173S a 21-01205

Průchová, P., Gotvaldová, K., Smolková, K., Alán , L., Holendová , B., Tauber, J., Galkin , A., Ježek, P., & Jabůrek, M. (2022). Antioxidant role and cardiolipin remodeling by redox-activated mitochondrial Ca2+-independent phospholipase A2gamma in the brain. Antioxidants, 11(2), 198. https://www.mdpi.com/2076-3921/11/2/198 nebo  https://doi.org/ 10.3390/antiox11020198

Redoxní regulace hraje klíčovou roli v celé řadě biologických procesů. Mitochondrie v mnoha tkáních představují primární zdroj superoxidu a následných oxidantů, zejména H₂O₂ a lipidových hydroperoxidů. Porozumění úloze produkce mitochondriálních oxidantů v patologii a normální fyziologii je však omezené. Fosfolipázy nezávislé na vápníku (iPLA2) patří do rodiny enzymů, které jsou známé svou účastí na buněčné signalizaci prostřednictvím produkce volných mastných kyselin a lysofosfolipidů. Zaměřili jsme se především na uvolňování mastných kyselin a jejich úlohu při transportu protonů přes mitochondriální membránu. Potvrdili jsme, že tento protonový transport zvyšuje rychlost dýchání, což vede ke snížení produkce oxidantů, a tím k ochraně buněk před oxidačním stresem. Kromě toho byla antioxidační a protizánětlivá role iPLA2γ potvrzena také in vivo na myším modelu.

Pomocí komplexních lipidomických analýz jsme identifikovali charakteristický vzorec štěpení spojený s redoxně aktivovanou iPLA2γ v mozku. Naše data ukazují na zvýšení relativních koncentrací specifických mastných kyselin, jako je kyselina dokosahexaenová, kyselina arachidonová a kyselina stearová. Tato změna byla inhibována selektivním inhibitorem iPLA2γ. Dále jsme pozorovali výrazný pokles několika vysokomolekulárních druhů kardiolipinu (CL) spolu s akumulací nízkomolekulárních druhů CL v mozkových mitochondriích myší s knockoutem iPLA2γ. Tato zjištění naznačují, že fosfolipáza iPLA2γ usnadňuje přeměnu nasycených kardiolipinů s nižší molekulovou hmotností na kardiolipiny s vyšší molekulovou hmotností bohaté na polynenasycené mastné kyseliny, což je charakteristický profil mozkové tkáně.

Souhrnně tyto výsledky zdůrazňují zásadní roli redoxně aktivovaného iPLA2γ v redoxní signalizaci, což vede k: (i) následnému útlumu produkce oxidantů a (ii) postsyntetické remodelaci nezralých kardiolipinů.

Studie byla podpořena granty Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR (MŠMT ), LTA USA 17174.