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I ricercatori dell'Università di Buffalo ei loro collaboratori hanno sviluppato nuovi potenti modi per studiare e potenzialmente invertire i meccanismi cellulari che causano malattie mitocondriali e invecchiamento precoce.
I mitocondri forniscono la parte del leone dell'energia di cui le cellule hanno bisogno per funzionare normalmente, quindi i difetti genetici nei mitocondri possono causare gravi malattie che possono essere devastanti se non catturate e curate precocemente.
Ma esattamente come quei difetti mitocondriali portino alla malattia e all'invecchiamento non è stato ben compreso. Un documento pubblicato oggi su Aging Cell rivela per la prima volta la connessione tra difetti mitocondriali e segnali chiave nel processo di invecchiamento. In una separata Comunicazioni sulla natura carta, i ricercatori descrivono come una nuova tecnica che hanno sviluppato basata sull'optogenetica può aiutare a ripristinare la normale funzione alle interazioni mitocondriali anormali.
Mitocondri e telomeri
La cella di invecchiamento la carta collega, per la prima volta, la disfunzione mitocondriale all'accorciamento dei telomeri, un biomarcatore chiave dell'invecchiamento precoce.
"I telomeri sono sequenze di DNA specializzate che fungono da cappucci che stabilizzano le estremità dei cromosomi", ha spiegato Taosheng Huang, MD, Ph.D., professore e capo della Divisione di Genetica presso il Dipartimento di Pediatria della Jacobs School of Medicine and Biomedical Scienze presso UB.
"L'accorciamento dei telomeri è generalmente considerato un importante biomarcatore dell'invecchiamento, ma per molto tempo nessuno conosceva il meccanismo. Ora siamo in grado di collegare la disfunzione mitocondriale direttamente all'accorciamento dei telomeri", ha affermato Huang, autore senior dell'articolo .
Gli esperimenti sono stati condotti con un tipo di modello murino chiamato "mutatore" di Polg in cui i topi sono portatori di uno specifico difetto genetico che accelera il tasso di mutazioni del DNA mitocondriale.
"Siamo anche stati in grado di mostrare negli esseri umani come un singolo cambiamento di nucleotide nel DNA mitocondriale che è specificamente associato a una scarsa funzione dei mitocondri e che causa disordini mitocondriali pediatrici può accelerare l'invecchiamento", ha affermato Huang. "Abbiamo scoperto che le specie reattive dell'ossigeno dovute alla scarsa funzione dei mitocondri portano a un aumento del danno al DNA nel tempo".
L'articolo è il primo a dimostrare che le mutazioni del DNA mitocondriale in questo modello producono un invecchiamento più rapido, come dimostrato dall'orologio del DNA, che stima l'età biologica di un individuo in base a particolari marcatori chimici nel DNA.
Huang ha osservato che la ricerca è il risultato di una collaborazione di successo tra tutti gli autori, tra cui Steve Horvath, Ph.D., professore di genetica umana e biostatistica all'UCLA, che ha sviluppato l'orologio del DNA, e Patricia Opresko, Ph.D., professore associato presso l'Università di Pittsburgh, e Sabine Mai, Ph.D., dell'Università di Manitoba, entrambi esperti in telomeri e danni ai telomeri.
Jesse Slone, Ph.D., ex post-dottorato nel laboratorio di Huang presso il Cincinnati Children's Hospital Medical Center e ora assistente professore di ricerca presso il Dipartimento di Pediatria presso UB, è il co-primo autore. Altri coautori provengono dalla Nanchang University e dal Cincinnati Children's Hospital Medical Center.
Orchestre interazioni cellulari
Pubblicato il 25 luglio, le Comunicazioni sulla natura l'articolo rivela come l'optogenetica, che utilizza la luce per manipolare l'attività cellulare, può essere utilizzata come strumento non solo per studiare, ma anche per orchestrare le interazioni degli organelli cellulari in tempo reale.
L'articolo si concentra sulla dinamica mitocondriale, i processi a cui questi organelli sono costantemente sottoposti per mantenere un sano equilibrio nella cellula. Si impegnano nella fissione, dove un mitocondri si divide in due, e nella fusione, dove due si fondono insieme per diventare uno. Uno squilibrio in una cellula tra i due tipi di processi può portare a malattie mitocondriali.
"Nelle Comunicazioni sulla natura carta, descriviamo una tecnologia che abbiamo sviluppato che ci consente per la prima volta di manipolare direttamente le interazioni tra i mitocondri e altri organelli nella cellula", ha affermato Huang.
"Utilizzando l'optogenetica per forzare un'interazione fisica tra i mitocondri e un altro componente cellulare, il lisosoma, siamo stati in grado di ripristinare i mitocondri a una dimensione più normale migliorando al contempo le loro funzioni di produzione di energia", ha spiegato Huang. "Riteniamo che questa nuova scoperta potrebbe essere utilizzata come base per future diagnosi e trattamenti per questo gruppo di malattie".
Il lavoro è stato reso possibile dall'uso di una potente tecnologia di imaging chiamata microscopia di illuminazione strutturale (SIM) disponibile presso l'Università di Cincinnati, dove Huang ha iniziato questa ricerca prima di assumere la sua attuale posizione presso UB. La SIM consente l'imaging in tempo reale ad altissima risoluzione nelle cellule viventi. + Esplora ulteriormente
