Rigenerare i mitocondri scongiura il morbo di Parkinson

La comunità scientifica conosce da tempo la funzione delle cellule viventi di essere grandi riciclatrici che scompongono costantemente le vecchie parti e le ricostruiscono in nuove macchine molecolari. In base a questa informazione, gli esperti dei Gladstone Institutes hanno studiato più da vicino il ciclo di vita delle centrali elettriche cellulari che generano energia, chiamate mitocondri, all’interno delle cellule cerebrali e come potrebbero essere riciclate: hanno dimostrato che i geni associati alla malattia di Parkinson svolgono un ruolo chiave in questo processo.

“Questo lavoro ci offre una visione senza precedenti del ciclo di vita mitocondriale e di come vengono riciclati dalle proteine ​​chiave che, se mutate, causano il morbo di Parkinson”, afferma il ricercatore associato di Gladstone Ken Nakamura, autore senior del nuovo studio. “Suggerisce che il riciclaggio mitocondriale è fondamentale per mantenere mitocondri sani e che le interruzioni di questo processo possono contribuire alla neurodegenerazione”.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Sciences Advances.

Rigenerare i mitocondri e abbattere quelli danneggiati

Nella maggior parte delle cellule, i mitocondri danneggiati vengono decomposti in un processo noto come mitofagia, avviato da due proteine, PINK1 e Parkin. Le mutazioni in queste stesse proteine ​​causano anche forme ereditarie del morbo di Parkinson. Mentre il ruolo di PINK1 e Parkin nella mitofagia è stato ampiamente studiato in molti tipi di cellule, non è stato chiaro se queste proteine ​​agiscano allo stesso modo nei neuroni, il tipo di cellule cerebrali che muoiono nel morbo di Parkinson.

Infatti, i neuroni hanno un fabbisogno energetico insolitamente elevato e i loro corredi mitocondriali sono molto più resistenti alla degradazione da parte di Parkin rispetto a quelli di altri tipi cellulari.

Per cercare di capire meglio questa dinamica, il gruppo di Nakamura ha seguito il mitocondrio all’interno dei neuroni viventi ed ha esaminato come PINK1 e Parkin hanno influenzato il loro decorso. Essi però sono piccoli e si muovono all’interno delle cellule, spesso fondendosi tra loro o dividendosi in due, il che li rende difficili da rintracciare.

“Abbiamo dovuto sviluppare un nuovo modo di tracciare i mitocondri individuali per lunghi periodi di tempo, quasi un giorno intero”, afferma Zak Doric, ricercatore presso Gladstone e UC San Francisco (UCSF) e co-primo autore del nuovo studio. “Realizzare quella tecnica e farla funzionare è stata una vera sfida”. Gli scienziati hanno anche utilizzato un metodo che ha permesso loro di generarli in dimensioni più grandi del normale, rendendoli più facili da vedere al microscopio.

Il gruppo di scienziati ha rivelato che le proteine ​​Parkin circondavano il mitocondrio danneggiato e li portano alla degradazione, dimostrando che la mitofagia inizia nei neuroni allo stesso modo di altri tipi di cellule. Sfruttando un loro nuovo approccio, hanno potuto osservare il processo svolgersi in modo molto dettagliato. Ad esempio, hanno documentato le fasi iniziali chiave in cui il mitocondrio danneggiato e rivestito di Parkin si fonde con altri componenti all’interno della cellula per formare strutture di degradazione dei mitocondri chiamate mitolisosomi.

“Siamo stati in grado di visualizzare questi passaggi a un livello che non è mai stato fatto prima in nessun tipo di cellula”, afferma Nakamura, che è anche professore associato di neurologia presso l’UCSF. L’elevata risoluzione del loro approccio consentirà loro di comprendere con grande precisione come Parkin e PINK1 influenzino la degradazione mitocondriale nella malattia di Parkinson.

I ricercatori hanno quindi esaminato le fasi successive della mitofagia, monitorando ciò che accade al mitocondrio nei mitolisosomi: “Finora nessuno sapeva cosa succede vicino a questi mitolisosomi”, dice Nakamura.

Ad oggi, gli scienziati hanno supposto che i mitolisosomi si scompongono rapidamente in molecole che la cellula può riutilizzare per costruire nuovi mitocondri da zero. Nakamura, insieme agli altri esperti del team,  hanno dimostrato che i mitolisosomi sono sopravvissuti per ore all’interno delle cellule. Sorprendentemente, e inaspettatamente, alcuni mitolisosomi sono stati inghiottiti da mitocondri sani, mentre altre volte scoppiano improvvisamente, rilasciando il loro contenuto all’interno della cellula, comprese alcune proteine ​​che sono ancora funzionali.

“Questo sembra essere un nuovo controllo di qualità mitocondriale, sistema di riciclaggio“, afferma Huihui Li, Ph.D., uno studioso post-dottorato di Gladstone e co-primo autore del nuovo articolo. “Pensiamo di aver scoperto un percorso di riciclaggio mitocondriale, che è come recuperare mobili di valore in una casa prima di demolirla”.

È importante sottolineare che lo studio mostra che il percorso di riciclaggio identificato dagli scienziati richiede PINK1 e Parkin, sostenendo che il riciclaggio mitocondriale può anche essere fondamentale nella protezione dalla neurodegenerazione nel morbo di Parkinson.

“I neuroni dopaminergici che muoiono nella malattia di Parkinson sono particolarmente suscettibili alle mutazioni in PINK1 e Parkin”, afferma Nakamura. “Il nostro studio fa progredire la nostra comprensione di come queste due proteine ​​chiave della malattia di Parkinson degradano e riciclano i mitocondri. I nostri studi futuri studieranno come questi percorsi contribuiscono alla malattia e come possono essere mirati terapeuticamente”.

L’esclusione cellulare dei mitocondri protegge le cellule dai danni

Come abbiamo già detto, i mitocondri sono organelli cellulari molto piccoli che generano la maggior parte dell’energia necessaria alle cellule per funzionare e svolgono quindi un ruolo importante nel mantenimento della salute delle cellule.  A questo proposito,  ricercatori dell’Università di Osaka hanno scoperto un nuovo meccanismo attraverso il quale le cellule capovolgono i mitocondri e contribuiscono al mantenimento cellulare. Hanno inoltre mostrato come questo nuovo percorso sia coinvolto nello sviluppo della malattia di Parkinson (MdP).

La maggior parte delle cellule del corpo richiede i mitocondri per funzionare e sopravvivere. Vari processi patologici e agenti tossici possono danneggiare le cellule danneggiando i mitocondri e la mancata eliminazione dei mitocondri danneggiati può causare malattie neurodegenerative come il morbo di Parkinson. Non sorprende che le cellule abbiano un sistema di controllo della qualità che garantisce la salute e la funzione dei mitocondri all’interno delle cellule.

Per molto tempo si è pensato che questo sistema di controllo fosse costituito solo dalla mitofagia, un processo mediante il quale le cellule degradano i mitocondri danneggiati e riciclano i loro singoli componenti per poi costruire nuovi mitocondri. Mentre studi recenti hanno dimostrato che le cellule hanno anche la capacità di trasferire i mitocondri, questo processo rimane non completamente compreso.

“Il rilascio dei mitocondri nello spazio extracellulare è un argomento affascinante, ma ne sappiamo molto poco”, afferma il coautore Tatsusada Okuno. “L’obiettivo del nostro studio era di indagare fino a che punto le cellule trasferiscono i mitocondri in risposta allo stress mitocondriale”.

Per raggiungere il loro obiettivo, i ricercatori hanno generato una linea cellulare in cui i mitocondri sono marcati in modo fluorescente e quindi possono essere studiati al microscopio a fluorescenza. Eseguendo l‘imaging time-lapse per un periodo di tempo prolungato, i ricercatori sono riusciti ad osservare il rilascio dei mitocondri in tempo reale. Non solo, sono stati in grado di dimostrare mediante la microscopia ottica-elettronica correlativa, una tecnica che consente di esaminare le strutture cellulari a un ingrandimento ultra elevato, che i mitocondri sono stati per lo più rilasciati in forma libera e raramente sono stati racchiusi in vescicole.

I ricercatori hanno quindi chiesto quale potrebbe essere il ruolo del rilascio mitocondriale nel PD. Studiando le cellule carenti di parkina, la proteina responsabile della forma ereditaria di PD, sono state in grado di mostrare un marcato aumento del rilascio mitocondriale in assenza della proteina. Allo stesso modo, il sangue di topi con deficit di parkina conteneva livelli più elevati di proteine ​​mitocondriali, dimostrando ulteriormente come l’assenza di parkina faciliti il ​​rilascio mitocondriale extracellulare.

 Ancora più importante, tuttavia, i ricercatori sono stati iriusciti a  dimostrare che i fluidi cerebrospinali di pazienti con PD con una mutazione nella parkina che rende la proteina disfunzionale contenevano livelli più elevati di mitocondri, dimostrando l’importanza di questo nuovo sistema di controllo della qualità mitocondriale nello sviluppo del PD negli esseri umani.

“Questi sono risultati sorprendenti che dimostrano un nuovo meccanismo per eliminare i mitocondri difettosi e un ruolo importante per l’omeostasi mitocondriale nell’insorgenza della malattia di Parkinson”, afferma l’autore corrispondente Hideki Mochizuki. “Questi risultati possono portare allo sviluppo di nuovi biomarcatori e terapie”.

Mitocondri danneggiati: Miro2, recettore di Parkin, da il via alla rimozione selettiva

La mitofagia svolge un ruolo centrale nel sistema di controllo della qualità mitocondriale e la mitofagia difettosa è collegata a una varietà di malattie umane. Al momento, non è chiaro come i mitocondri danneggiati vengano riconosciuti e rimossi selettivamente per garantire l’accuratezza della clearance mitofagica.

Miro2, una sottofamiglia mitocondriale delle Ras GTPasi, ha dimostrato di percepire sia la depolarizzazione che il rilascio di Ca2+ dai mitocondri, agendo come recettore di Parkin per la rimozione accurata dei mitocondri danneggiati.
PINK e Parkin sono geni causali del parkinsonismo autosomico recessivo a esordio precoce e componenti chiave del sistema di controllo della qualità mitocondriale. La parkina, una ligasi E3, trasloca dal citoplasma ai mitocondri danneggiati per ubiquitinare numerose proteine ​​della membrana esterna mitocondriale, che si ritiene siano l’etichetta per la clearance mitofagica. Prima di traslocare nei mitocondri, Parkin è in grado di essere attivato dall’ubiquitina fosforilata oltre alla sua fosforilazione da parte di PINK1.

 Poiché la fosforilazione dell’ubiquitina da parte di PINK1 avviene in prossimità della membrana mitocondriale esterna, Parkin probabilmente trasloca prossimalmente alla membrana mitocondriale esterna per essere attivata da PINK1. Pertanto, potrebbero esserci proteine ​​della membrana esterna mitocondriale che forniscono una piattaforma per il riconoscimento e il reclutamento di Parkin.

Gli scienziati hanno proposto un modello su come Miro2 funziona come recettore per il riconoscimento e la traslocazione di Parkin nel mitocondrio danneggiato. In condizioni imperturbate, PINK1 viene scisso da PARL a livello della membrana mitocondriale interna. Al collasso del potenziale di membrana mitocondriale, Miro2 viene rapidamente fosforilato a Ser325/Ser430 dal PINK1 a tutta lunghezza dopo che PINK1 si trasloca alla membrana mitocondriale esterna.

Nel frattempo, l’efflusso di Ca2+ dai mitocondri viene rilevato dal dominio della mano EF2 di Miro2. Quando Miro2 è fosforilato da PINK1 e si lega al Ca2+ rilasciato dal mitocondrio, Miro2 subisce un riallineamento e una demultimerizzazione da tetrameri a monomeri sulla membrana mitocondriale esterna. Quindi il Miro2 riallineato funge da piattaforma per il riconoscimento, la traslocazione e la successiva mitofagia di Parkin.

Così, I mitocondri disfunzionali subiscono molteplici cambiamenti come la depolarizzazione, l’efflusso di Ca2+, l’elevazione dei ROS ecc. Pertanto, “è importante che i recettori mitocondriali di Parkin siano in grado di rilevare più segnali dal mitocondrio danneggiato per garantire l’accuratezza della mitofagia”, ha affermato Tie-Shan Tang, capo del gruppo di ricerca.

In accordo con il ruolo fondamentale di Miro2 nella rimozione selettiva dei mitocondri danneggiati, i topi difettosi di Miro2 hanno mostrato una maturazione dei reticolociti ritardata, acidosi lattica e disturbi cardiaci. “La dilatazione cardiaca è stata ovviamente osservata nei cuori Miro2-KO all’età di 11 mesi e l’accumulo di colonie mitocondriali anormali nei muoviti cardiaci è stato significativo anche nei topi Miro2-KO“, ha affermato Jiu-Qiang Wang.

“Forniamo dati biochimici, molecolari e cellulari e in vivo su modelli murini che dimostrano che Miro2 funziona come piattaforma per la traslocazione di Parkin e la clearance del mitocondrio danneggiato. Questi risultati gettano nuova luce sulla comprensione dei meccanismi patologici delle malattie umane come le malattie neurodegenerative e i disturbi cardiaci“, hanno concluso gli autori.