强大的线粒体

线粒体的魅力吸引了生物学家们数十年。如今,他们发现由瑞士组织学家,解剖学家,和生理学家阿尔伯特·冯·Kolliker在1800年代中期的开创性研究生物能学在1950年代,1960年代和1970年代。在最近几年,许多心理科学家和神经科学家也变得着迷于这些专门的细胞结构的作用在大脑processes-specifically,衰老的大脑的变化。几个多学科研究探索APS期刊上报告。bd体育在线app下载安卓例如,邦妮·j·卡普兰(卡尔加里大学)和他的同事们调查了线粒体功能和心理健康之间的关系在2015年的一篇文章临床心理科学,在2019年的一篇文章心理科学当前的方向APS的大卫基尔(密苏里大学)提出,线粒体的功能可能链接情报,健康和衰老。

来看看新兴生物学的交叉研究,心理科学和神经科学一直吸引着各个领域的研究者的细胞器。半岛体育官方网址入口

线粒体可能度过一天作为细胞的“大国”,但显然月光数组的其他活动。

Pagliarini和拉特(2013)

强国的细胞的细胞死亡

线粒体是细胞parts-organelles-with特有的双层膜。细胞中线粒体的数量不同的生物体,组织和细胞类型。存在于所有人类细胞线粒体除了红细胞。

关于线粒体最引人注目的事实之一是,他们有自己的DNA(对人类而言,它只应该是继承了母亲,尽管最近的一项研究发现可能的证据的线粒体DNA的遗传;罗et al ., 2018);他们还拥有转录DNA和蛋白质合成的能力。这些和其他独特的特性使线粒体与细菌相似;事实上,研究者提出半岛体育官方网址入口,线粒体最初的细菌与microbes-living最终建立共生关系,为其提供能量,并最终让他们与核演变成多个单元组成的有机体,包括人类(克莱默& Bressan, 2018)。

开始第一次观察到线粒体在1800年代和1970年代末期,科学家们发现很多细节对线粒体产生能源(三磷酸腺苷,或ATP)和细胞。但到了1980年代,尽管几十年的利息,线粒体不再是一个热点研究课题。然而在1998年,科学发表一个特殊问题,恢复了科学界的热情。当时,一些实验室建立了线粒体和线粒体蛋白质发挥了重要作用在程序性细胞死亡(审查,看绿色& Reed, 1998)。

在接下来的几十年里,研究人员还详细披露了线粒体在细胞半岛体育官方网址入口死亡和衰老的作用,线粒体功能障碍是如何参与罕见和常见的人类疾病。超出了他们的角色在生物能量学过程中,或使用的能源供应和细胞,线粒体中扮演着重要的角色在钙离子的存储,是重要的细胞间信号,协调的荷尔蒙,释放神经递质。鉴于他们在细胞代谢的重要作用,线粒体障碍相关疾病影响几乎所有器官和系统在我们的体内,在1994年,“线粒体医学”一词开始使用(卡普兰et al ., 2015)。此外,考虑到易受氧化应激的线粒体DNA,突变,和大脑的高能的要求,也就不足为奇了线粒体DNA线粒体功能障碍是与一些相关精神障碍(卡普兰et al ., 2015),引起神经和心理科学家的注意。”结果的研究表明,线粒体可能花天细胞的强国,但显然月光在一系列其他活动,”David j . Pagliarini写道(圣路易斯华盛顿大学医学院)和贾里德·鲁特(犹他大学)于2013年。

线粒体在大脑中

在2018年的一篇文章心理科学观点彼得•克莱默和Paola Bressan(帕多瓦大学)综述了线粒体功能和精神功能障碍之间的关联的证据。例如,他们指出,对神经元线粒体提供能量火和有助于调节这一过程所需的化学反应。每次一个神经元受到刺激时,钠离子进入它。如果有足够多的钠进入、通道开放让钙离子进入神经元。神经元再火,钠离子和钙离子都必须离开它。线粒体然后暂时锁和为其他细胞提供能源结构中的钙也锁住钙离子。但如果线粒体发生积累过多的钙,他们将摧毁自己和主机神经元。这可能发生在当神经元放电过度,在癫痫发作。

这个过程发生时应该,钙水平上升可以使神经元更适应未来的刺激。同样,减少神经元钙含量可以减少响应。线粒体的影响这些响应变化,称为“突触可塑性”,通过加强或消除能源连接。ATP也可以作为neurotransmitter-for例,疼痛信号,告诉细胞“泄漏”之外的受伤后ATP和激活受体影响细胞(Wirkner et al ., 2007)。此外,线粒体产生类固醇激素的前体和neurosteroids影响学习,记忆,和心理健康。当激素和神经递质过多或不再需要,线粒体断裂下来的任务或存储他们。

线粒体功能失调的后果

当线粒体受损或功能失调,会发生什么?称伯施et al。(2011),克雷默和Bressan指出,受损的线粒体不仅可以修复,如果修复失败,部分仍可以回收工作。对故障的线粒体融合在一起,重新配置,再次分开,创建一个线粒体与纯粹的功能组件,另一个组件损毁(Youle & van der Bliek, 2012)。然而,细胞线粒体功能失调的太多成为功能失调的自己;在那个阶段,他们指示线粒体杀死他们,然后自我毁灭。这个过程被中断时,会导致疾病。

因为人类的大脑消耗至少20%的能量生成和神经元的线粒体氧化代谢快10倍比其他细胞(Belanger et al ., 2011),线粒体功能障碍可以极大地影响。神经元总是使用能源,特别是在突触,当线粒体功能失调,他们必须被摧毁和更换,后在突触或运输。失败在毁灭的过程和运输与神经退行性疾病(Martinez-Vicente, 2017),阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的发作(专题et al ., 2016;Shlevkov &施瓦兹,2017),甚至精神分裂和抑郁症(Deheshi et al ., 2013),克莱默和Bressan指出。

线粒体功能失调可以产生较高的活性氧(ROS);反应所产生的化学分子含有氧气和正常的呼吸过程),导致氧化应激,能破坏细胞结构,DNA、RNA和蛋白质(Lei et al ., 2014)。ROS-induced损伤导致细胞死亡,神经退行性疾病,甚至正常的老化。更高的ROS浓度与注意缺陷/多动障碍(多动症;Ceylan et al ., 2012),双相情感障碍(Andreazza et al ., 2008),偏执型分裂症(Dietrich-Muszalska et al ., 2012),和自闭症谱系障碍(Frye & Rossignol, 2011)。

此外,2008年的一项研究线粒体功能连接与抑郁和躯体症状。加德纳和无论明确显示,减少ATP生产(如上所述,线粒体功能)与慢性抑郁症患者更严重的躯体症状。这些结果,“严重躯体抱怨可能是一个标记的低ATP生产和也许还精神症状的严重程度,”卡普兰和他的同事在2015年写道。克莱默和Bressan也探讨如何对神经元线粒体功能失调的后果功能可能有助于解释为什么“精神分裂症患者经常抑郁,自闭症患者常常焦虑,唐氏综合症患者往往出现过早痴呆,和当前抑郁预测痴呆。”

当线粒体年龄

了解线粒体有助于人类大脑功能也可能揭示他们的影响健康的大脑衰老和一些体内神经系统疾病。

生物化学家德纳姆哈曼老化特征作为一个渐进积累的变化最终负责“不断增长的对疾病的易感性和死亡”(哈曼,1981)。他的“老化的自由基理论”(1956)指出,老化、以及与年龄有关的退化性疾病,是自由基的结果(线粒体产生的ROS)攻击细胞和组织。具体来说,ROS生产之间的不平衡和抗氧化防御系统(另一个线粒体功能)可以影响细胞功能。被观察到这一现象不仅在正常老化,在许多病理案件线粒体功能障碍(见格林&埃克特,2017)。

此外,细胞失去能力随着年龄的回收细胞器和大分子。这也导致线粒体功能障碍,就是能力受损为细胞提供能量,增加氧化应激,进而损害线粒体Rango & Bresolin 2018。我们的线粒体DNA突变也随着年龄的增加,最终会导致细胞的死亡(见Rango & Bresolin, 2018)。

其他研究人员半岛体育官方网址入口相关的老化与线粒体DNA突变的多巴胺能神经元的大脑的特定区域,在黑质(如Kraytsberg et al ., 2006)。类似的突变被发现在帕金森症患者(Rango & Bresolin, 2018),神经退行性疾病与刚度和静止震颤等症状。在灵长类动物中,神经元衰老(神经元的年龄和停止分裂的过程,但不会死)与改变有关线粒体功能和运动下降:年老的动物减少了电动机活动比年轻动物和减少ATP合成黑质和硬膜(潘迪亚et al ., 2015)。这些发现是特别相关,因为大约一半的人超过85岁显示轻微的迹象帕金森(Biskup &摩尔,2006)。总的来说,变化似乎与线粒体功能障碍与帕金森氏症和老化(Rango & Bresolin, 2018)。

此外,受损的线粒体DNA的黑质可能导致一些运动出现的问题,随着年龄的增长,以及其他老化的结果。在老鼠的一项研究中,研究人员发现证据表明啮齿半岛体育官方网址入口动物与受损的线粒体DNA中多巴胺能神经元减少,皮肤老化的迹象,包括骨质疏松症,驼背(即。、驼背)和体重(Trifunovic et al ., 2004)。

研究还表明,线粒体改变形状通过监管过程聚变和裂变(分别延长和缩短),积极神经元之间移动部分(例如,陈,2012)。这些形态和功能的变化是受细胞外信号和代谢环境,可能会影响细胞衰老过程。

在2014年的一篇文章美国国家科学院院刊》上裕子Hara(伊坎在西奈山医学院)和他的同事探讨衰老之间的关系,线粒体形态,在恒河猴和认知。他们发现,在与工作记忆相关的大脑区域,年轻的猴子一般形状的线粒体,而年长的猴子有很多异常的线粒体的氧化应激。这些异常的线粒体的存在与工作记忆的下降。然而,雌二醇激素具有抗氧化作用,显示修改这个业务和工作记忆障碍。因此,Hara和同事们的研究结果表明,“激素替代疗法的好处认知老化,部分通过促进线粒体和突触健康PFC(前额叶皮层)。”

神经退行性疾病和线粒体功能障碍

年龄是神经退行性疾病的主要危险因素(尼克里&鹧鸪,2012),包括阿尔茨海默病,开始与认知记住最近发生的事件和困难等症状,随着病情的发展,导致丧失身体机能和死亡。阿尔茨海默氏症的患病率65岁以上的美国人中预计将从今天的600万增长到1270万,到2050年,除非医学突破阻止,缓慢,或治愈这种疾病(见阿尔茨海默氏症协会2021年阿尔茨海默病的事实和数据报告)。毫不意外,线粒体还牵涉到阿尔茨海默氏症。

阿尔茨海默病的早期症状之一,出现在组织病理学指标和症状的发作之前,降低葡萄糖的吸收,符合大脑的生物能量学的变化过程(吉布森&史,2010)。研究表明,阿尔茨海默病,患者的大脑区域参与记忆中葡萄糖代谢过程,如海马和颞顶叶,降低了20%到30% (Kapogiannis &马特森,2011)。虽然研究还在继续,一些调查人员提出了“线粒体级联假说”来解释阿尔茨海默氏症发作(Swerdlow &汗,2004)。根据这一假说,遗传因素影响主机的线粒体功能,反过来,传达对阿尔茨海默氏病的易感性。因此,线粒体功能障碍的主要触发事件的级联,导致疾病。这个假设仍在测试,但线粒体形态和数量、生物能量学过程,线粒体生物起源(即。、新线粒体的形成)和线粒体运输和破坏(即。,mitophagy) do all appear to be impaired in patients with Alzheimer’s disease (for a review, see Cenini & Voos, 2019).

保持线粒体健康

尽管研究线粒体和衰老的关系仍是新兴的,不能提供结论性的建议,两个干预显示承诺改善线粒体与衰老相关的结果:有针对性的药理学方法,如抗氧化剂(如银杏叶),和生活方式的改变(Cenini & Voos, 2019)。

关于生活方式的改变,马丁·皮卡德(宾夕法尼亚大学)和APS威廉·詹姆斯的布鲁斯·s·麦克尤恩(洛克菲勒大学)建议在2014年评论美国国家科学院院刊》上,运动和其他形式的体育运动有利于大脑通过支持健康线粒体动力学和诱导线粒体生物起源。“我们的方法促进大脑老化的适应性和维持大脑功能应该受益于大脑是如何工作的和动态的生物能量学的角度对环境做出响应,“皮卡德和McEwen写道。

同样,克雷默和Bressan强调生活方式来减缓老龄化带来的重要性下降。

睡眠有助于消除大脑通过消除β-淀粉样蛋白,一种物质,损害神经元线粒体当累积超过(黄et al ., 2012)。缺乏睡眠会损害线粒体,干扰学习和记忆,最终导致痴呆和死亡(见克雷默& Bressan, 2018)。

锻炼似乎保持线粒体DNA的健康,用更少的突变,以及其他福利(曹et al ., 2012)。在长时间运动,身体和大脑继续消耗能量,而平时的能量来源,葡萄糖耗尽。线粒体,当这一切发生的时候,必须使用一个不同的“燃料”,创建一个连锁反应,最终引发脑源性神经营养因子(BDNF)的生产,一种蛋白质,这种蛋白质刺激神经元和突触的生长和修复。

饮食适度也会促进线粒体繁殖和ATP生成和保护细胞,包括神经元。这些影响可能通过相同的glucose-depletion机制发生当一个运作练习(例如,当天et al ., 2014)。

均衡的饮食也可以降低线粒体的氧化应激和有助于健康的线粒体和细胞(Cenini & Voos, 2019)。例如,地中海diet-characteristically富含橄榄油,未经提炼的谷物,水果,蔬菜,和fish-appears与阿尔茨海默氏症的发生率降低(例如,小跟班et al ., 2019)。

压力管理(例如,通过冥想或其他放松技巧)可以减少自由基损伤和保护线粒体,支持生产ATP和其使用的细胞(Bhasin说et al ., 2013)。慢性和强烈的压力可以抵消BDNF,增加自由基的产量,减少线粒体的能力来创建所需的钙ATP和锁定细胞能量生产。

超越这些方法,更好的理解上下文中的线粒体老化,尤其是大脑衰老,可能有助于确定疗法,可以改善老化结果甚至阻止神经退化(格林&埃克特,2017)。这样的理解可能只有跨学科团队包括生物学家、神经学家,和心理上的科学家,其中,共同努力,学习更多关于核心作用线粒体出现在人类所有的功能。将线粒体功能的核心许多物理,精神,和神经系统疾病,以及正常的老化,“可能是有用的对于识别遗传和环境影响智力的发展和与年龄相关的认知下降,”吉尔里在他2019年的文章中写道心理科学当前的方向。更重要的是,他继续说道,“新兴线粒体治疗特定疾病(如阿尔茨海默氏症)可能被证明是广泛有用,具体来说,环境的改善和与年龄相关的健康和认知的妥协。”

引用

阿尔茨海默氏症协会。(2021)。2021年阿尔茨海默病的事实和数字。17岁的阿尔茨海默病和痴呆(3),327 - 406。https://doi.org/10.1002/alz.12328

Belanger, M。,Allaman, I., & Magistretti, P. J. (2011). Brain energy metabolism: focus on astrocyte-neuron metabolic cooperation. 细胞代谢, 14(6),724 - 738。

Biskup, S。,& Moore, D. J. (2006). Detrimental deletions: Mitochondria, aging and Parkinson’s disease. Bioessays, 28(10)963 - 967。https://doi.org/10.1002/bies.20471

伯施P。,Weber-Lotfi, F., Ibrahim, N., Tarasenko, V., Cosset, A., Paulus, F., Lightowlers, R. N., & Dietrich, A. (2011). DNA repair in organelles: Pathways, organization, regulation, relevance in disease and aging. Biochimica et Biophysica Acta-Molecular细胞研究, 1813年(1),186 - 200。https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2010.10.002

曹,X。,Zhao, Z. W., Zhou, H. Y., Chen, G. Q., & Yang, H. J. (2012). Effects of exercise intensity on copy number and mutations of mitochondrial DNA in gastrocnemus muscles in mice.分子医学报告,6,426 - 428。https://doi.org/10.3892/mmr.2012.913

Cenini G。,& Voos, W. (2019). Mitochondria as potential targets in Alzheimer disease therapy: An update. 在药理学领域, 10第902条。https://doi.org/10.3389/fphar.2019.00902

陈特区(2012)。聚变和裂变:线粒体的关键。 相互关联的过程年度回顾的遗传学, 46,265 - 287。https://doi.org/10.1146/annurev -麝猫- 110410 - 132529

Deheshi, S。,Pasqualotto, B. A., & Rintoul, G. L. (2013). Mitochondrial trafficking in neuropsychiatric diseases.疾病的神经生物学,51,66 - 71。https://doi.org/10.1016/j.nbd.2012.06.015

恩斯特,L。,& Schatz, G. (1981). Mitochondria: A historical review. 细胞生物学杂志, 91年(3),227 - 255年代。

Frye r E。,& Rossignol, D. A. (2011). Mitochondrial dysfunction can connect the diverse medical symptoms associated with autism spectrum disorders. 儿科研究, 69年(8),41-47。https://doi.org/10.1111/j.1469-8749.2011.03980.x

加德纳。,& Boles, R. G. (2011). Beyond the serotonin hypothesis: Mitochondria, inflammation and neurodegeneration in major depression and affective spectrum disorders. Neuro-Psychopharmacology和生物精神病学的进展, 35(3),730 - 743。https://doi.org/10.1016/j.pnpbp.2010.07.030

Geary特区(2019)。生命的火花和统一的情报,健康和衰老。 心理科学当前的方向, 28(3),223 - 228。https://doi.org/10.1177/0963721412469398

绿色,d R。,& Reed, J. C. (1998). Mitochondria and apoptosis. 科学,1309 - 1312。https://doi.org/ 10.1126 / science.281.5381.1309

格林,一个。,& Eckert, A. (2017). Brain aging and neurodegeneration: From a mitochondrial point of view. 神经化学杂志, 143年(4),418 - 431。https://doi.org/10.1111/jnc.14037

哈曼,d . (1981)。 衰老过程美国国家科学院院刊》上, 78年(11),7124 - 7128。

黄,Y。,Potter, R., Sigurdson, W., Santacruz, A., Shih, S., Ju, Y.-E., Kasten, T., Morris, J. C., Mintun, M., Duntley, S., Bateman, R. J. (2012). Effects of age and amyloid deposition on Aß dynamics in the human central nervous system.神经病学档案,69年,51-58。https://doi.org/10.1001/archneurol.2011.235

卡普兰,b . J。,Rucklidge, J. J., Romijn, A., & McLeod, K. (2015). The emerging field of nutritional mental health: Inflammation, the microbiome, oxidative stress, and mitochondrial function. 临床心理科学, 3(6),964 - 980。https://doi.org/10.1177/2167702614555413

小跟班,a·J。,Tussing-Humphreys, L., Zhan, L., Rajendran, N., Cohen, J., Dion, C., Xiahong, J. Z., & Lamar, M. (2019). Associations of the Mediterranean diet with cognitive and neuroimaging phenotypes of dementia in healthy older adults.美国临床营养学杂志》上, 109年(2),361 - 368。https://doi.org/10.1093/ajcn/nqy275

克莱默,P。,& Bressan, P. (2018). Our (mother’s) mitochondria and our mind. 心理科学观点, 13(1),88 - 100。https://doi.org/10.1177/1745691617718356

Kraytsberg Y。,Kudryavtseva, E., McKee, A. C., Geula, C., Kowall, N. W., & Khrapko, K. (2006). Mitochondrial DNA deletions are abundant and cause functional impairment in aged human substantia nigra neurons. 自然遗传学, 38(5),518 - 520。

尼克里,T。,& Partridge, L. (2012). Ageing as a risk factor for disease. 当代生物学, 22(17),R741-R752。https://doi.org/10.1016/j.cub.2012.07.024

Pagliarini d J。,& Rutter, J. (2013). Hallmarks of a new era in mitochondrial biochemistry. 基因与发展, 27(24),2615 - 2627。https://doi.org/10.1101/gad.229724.113

潘迪亚,j . D。Grondin, R。,Yonutas, H. M., Haghnazar, H., Gash, D. M., Zhang, Z., & Sullivan, P. G. (2015). Decreased mitochondrial bioenergetics and calcium buffering capacity in the basal ganglia correlates with motor deficits in a nonhuman primate model of aging. 神经生物学衰老的, 36(5),1903 - 1913。https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2015.01.018

皮卡德,M。,& McEwen, B. S. (2014). Mitochondria impact brain function and cognition. 美国国家科学院院刊》上, 111年(1)、7 - 8。https://doi.org/10.1073/pnas.1321881111

Rango, M。,& Bresolin, N. (2018). Brain mitochondria, aging, and Parkinson’s disease. 基因, 9(5),250年。https://doi.org/10.3390/genes9050250

Swerdlow, r . H。,& Khan, S. M. (2004). A “mitochondrial cascade hypothesis” for sporadic Alzheimer’s disease.医学假说,63年(1)8-20。https://doi.org/10.1016/j.mehy.2003.12.045

Youle, r . J。,& van der Bliek, A. M. (2012). Mitochondrial fission, fusion, and stress. 科学, 337年(6098),1062 - 1065。https://doi.org/10.1126/science.1219855