Mạng lưới Mitochondria Bảo vệ Các Tế bào β Khỏi Sự Chết Tế bào Do Dinh Dưỡng
Tóm tắt
Các nghiên cứu trước đây đã báo cáo rằng mitochondria trong tế bào β tồn tại dưới dạng các bào quan riêng biệt và có khả năng sinh năng lượng không đồng nhất. Đến nay, hoạt động mạng lưới và vai trò của nó trong việc điều tiết hình thái và chức năng của mitochondria tế bào β vẫn chưa rõ ràng. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ điều tra chi tiết quá trình kết hợp và phân chia của mitochondria trong tế bào β và báo cáo những thay đổi trong phản ứng với các tổ hợp dinh dưỡng khác nhau.
Bằng cách sử dụng protein huỳnh quang xanh đang hoạt hóa dưới ánh sáng được nhắm đến trong màng, chúng tôi đã đánh dấu và theo dõi mitochondria trong tế bào β trong các cùi tụ hoàn chỉnh, như các tế bào tách biệt và như các dòng tế bào, tiết lộ những sự kiện kết hợp và phân chia thường xuyên. Các thao tác trên các protein động học mitochondria chủ chốt OPA1, DRP1 và Fis1 đã được thử nghiệm để xem vai trò của chúng trong hình thái học của mitochondria tế bào β. Ảnh hưởng kết hợp của axit béo tự do và glucose lên sự sống, chức năng và hình thái của mitochondria tế bào β đã được khám phá liên quan đến các thay đổi trong khả năng kết hợp và phân chia của chúng.
Mitochondria tế bào β liên tục tham gia vào hoạt động kết hợp và phân chia, điều này ảnh hưởng tới hình thái tổng thể của bào quan. Chúng tôi phát hiện rằng hoạt động mạng lưới giữa các mitochondria có khả năng phân phối tín hiệu protein huỳnh quang xanh một cách tập trung đến toàn bộ tế bào β tách biệt, một tế bào β trong cùi tụ và một tế bào INS1. Trong điều kiện khắc nghiệt, chúng tôi nhận thấy rằng mitochondria tế bào β trở nên bị phân mảnh và mất khả năng kết hợp. Thú vị thay, các thao tác điều chỉnh cân bằng động học nghiêng về kết hợp có thể ngăn ngừa sự phân mảnh mitochondria, duy trì động lực học mitochondria và ngăn chặn sự chết tế bào theo chương trình.
Từ khóa
#mitochondria #tế bào β #chết tế bào #dinh dưỡng #bệnh tiểu đường type 2Tài liệu tham khảo
Skulachev, 2001, Mitochondrial filaments and clusters as intracellular power-transmitting cables, Trends Biochem Sci, 26, 23, 10.1016/S0968-0004(00)01735-7
Frank, 2006, Dysregulation of mitochondrial fusion and fission: an emerging concept in neurodegeneration, Acta Neuropathol (Berl), 111, 93, 10.1007/s00401-005-0002-3
Nakada, 2001, Inter-mitochondrial complementation: mitochondria-specific system preventing mice from expression of disease phenotypes by mutant mtDNA, Nat Med, 7, 934, 10.1038/90976
Arimura, 2004, Frequent fusion and fission of plant mitochondria with unequal nucleoid distribution, Proc Natl Acad Sci U S A, 101, 7805, 10.1073/pnas.0401077101
Chen, 2005, Disruption of fusion results in mitochondrial heterogeneity and dysfunction, J Biol Chem, 280, 26185, 10.1074/jbc.M503062200
Twig, 2006, Tagging and tracking individual networks within a complex mitochondrial web with photoactivatable GFP, Am J Physiol Cell Physiol, 291, C176, 10.1152/ajpcell.00348.2005
Yu, 2006, Increased production of reactive oxygen species in hyperglycemic conditions requires dynamic change of mitochondrial morphology, Proc Natl Acad Sci U S A, 103, 2653, 10.1073/pnas.0511154103
Frieden, 2004, Ca(2+) homeostasis during mitochondrial fragmentation and perinuclear clustering induced by hFis1, J Biol Chem, 279, 22704, 10.1074/jbc.M312366200
Szabadkai, 2004, Drp-1-dependent division of the mitochondrial network blocks intraorganellar Ca2+ waves and protects against Ca2+-mediated apoptosis, Mol Cell, 16, 59, 10.1016/j.molcel.2004.09.026
El Assaad, 2003, Saturated fatty acids synergize with elevated glucose to cause pancreatic beta-cell death, Endocrinology, 144, 4154, 10.1210/en.2003-0410
Poitout, 2008, Glucolipotoxicity of the pancreatic beta-cell: myth or reality?, Biochem Soc Trans, 36, 901, 10.1042/BST0360901
Hagman, 2008, Cyclical and alternating infusions of glucose and intralipid in rats inhibit insulin gene expression and Pdx-1 binding in islets, Diabetes, 57, 424, 10.2337/db07-1285
Robertson, 2006, Oxidative stress and impaired insulin secretion in type 2 diabetes, Curr Opin Pharmacol, 6, 615, 10.1016/j.coph.2006.09.002
Wikstrom, 2007, β-Cell mitochondria exhibit membrane potential heterogeneity that can be altered by stimulatory or toxic fuel levels, Diabetes, 56, 2569, 10.2337/db06-0757
Kuznetsov, 2004, Subcellular heterogeneity of mitochondrial function and dysfunction: evidence obtained by confocal imaging, Mol Cell Biochem, 256–257, 359, 10.1023/B:MCBI.0000009881.01943.68
Karbowski, 2004, Quantitation of mitochondrial dynamics by photolabeling of individual organelles shows that mitochondrial fusion is blocked during the Bax activation phase of apoptosis, J Cell Biol, 164, 493, 10.1083/jcb.200309082
Twig, 2008, Fission and selective fusion govern mitochondrial segregation and elimination by autophagy, EMBO J, 27, 433, 10.1038/sj.emboj.7601963
Stojanovski, 2004, Levels of human Fis1 at the mitochondrial outer membrane regulate mitochondrial morphology, J Cell Sci, 117, 1201, 10.1242/jcs.01058
Stojanovski, 2004, Levels of human Fis1 at the mitochondrial outer membrane regulate mitochondrial morphology, J Cell Sci, 117, 1201, 10.1242/jcs.01058
Arai, 2004, Establishment of stable hFis1 knockdown cells with an siRNA expression vector, J Biochem, 136, 421, 10.1093/jb/mvh139
Bowes, 2008, Novel mitochondrial extensions provide evidence for a link between microtubule-directed movement and mitochondrial fission, Biochem Biophys Res Commun, 376, 40, 10.1016/j.bbrc.2008.08.120
Downward, 2004, PI 3-kinase, Akt and cell survival, Semin Cell Dev Biol, 15, 177, 10.1016/j.semcdb.2004.01.002
Jetton, 2005, Mechanisms of compensatory β-cell growth in insulin-resistant rats: roles of Akt kinase, Diabetes, 54, 2294, 10.2337/diabetes.54.8.2294
Tuttle, 2001, Regulation of pancreatic beta-cell growth and survival by the serine/threonine protein kinase Akt1/PKBalpha, Nat Med, 7, 1133, 10.1038/nm1001-1133
Wrede, 2002, Protein kinase B/Akt prevents fatty acid-induced apoptosis in pancreatic beta-cells (INS-1), J Biol Chem, 277, 49676, 10.1074/jbc.M208756200
Srinivasan, 2002, Glucose promotes pancreatic islet beta-cell survival through a PI 3-kinase/Akt-signaling pathway, Am J Physiol Endocrinol Metab, 283, E784, 10.1152/ajpendo.00177.2002
Lowell, 2005, Mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes, Science, 307, 384, 10.1126/science.1104343
Maechler, 2001, Mitochondrial function in normal and diabetic beta-cells, Nature, 414, 807, 10.1038/414807a
Bindokas, 2003, Visualizing superoxide production in normal and diabetic rat islets of Langerhans, J Biol Chem, 278, 9796, 10.1074/jbc.M206913200
Noske, 2008, Expedited approaches to whole cell electron tomography and organelle mark-up in situ in high-pressure frozen pancreatic islets, J Struct Biol, 161, 298, 10.1016/j.jsb.2007.09.015
Collins, 2002, Mitochondria are morphologically and functionally heterogeneous within cells, EMBO J, 21, 1616, 10.1093/emboj/21.7.1616
Huang, 20007, Mitochondrial clustering induced by overexpression of the mitochondrial fusion protein Mfn2 causes mitochondrial dysfunction and cell death, Eur J Cell Biol, 86, 289, 10.1016/j.ejcb.2007.04.002
Roduit, 2000, Glucose down-regulates the expression of the peroxisome proliferator-activated receptor-alpha gene in the pancreatic beta-cell, J Biol Chem, 275, 35799, 10.1074/jbc.M006001200
Poitout, 2002, Minireview: secondary beta-cell failure in type 2 diabetes–a convergence of glucotoxicity and lipotoxicity, Endocrinology, 143, 339, 10.1210/endo.143.2.8623
Men, 2008, Dynamin-related protein 1 mediates high glucose induced pancreatic beta cell apoptosis, Int J Biochem Cell Biol, 41, 879, 10.1016/j.biocel.2008.08.031
Rubinson, 2003, A lentivirus-based system to functionally silence genes in primary mammalian cells, stem cells and transgenic mice by RNA interference, Nat Genet, 33, 401, 10.1038/ng1117
Brownlee, 2003, A radical explanation for glucose-induced beta cell dysfunction, J Clin Invest, 112, 1788, 10.1172/JCI200320501
Maechler, 1999, Hydrogen peroxide alters mitochondrial activation and insulin secretion in pancreatic beta cells, J Biol Chem, 274, 27905, 10.1074/jbc.274.39.27905
Bossy-Wetzel, 2003, Mitochondrial fission in apoptosis, neurodegeneration and aging, Curr Opin Cell Biol, 15, 706, 10.1016/j.ceb.2003.10.015
Park, 2008, Selective actions of mitochondrial fission/fusion genes on metabolism-secretion coupling in insulin-releasing cells, J Biol Chem, 283, 33347, 10.1074/jbc.M806251200
James, 2003, hFis1, a novel component of the mammalian mitochondrial fission machinery, J Biol Chem, 278, 36373, 10.1074/jbc.M303758200
Frank, 2001, The role of dynamin-related protein 1, a mediator of mitochondrial fission, in apoptosis, Dev Cell, 1, 515, 10.1016/S1534-5807(01)00055-7
Olichon, 2003, Loss of OPA1 perturbates the mitochondrial inner membrane structure and integrity, leading to cytochrome c release and apoptosis, J Biol Chem, 278, 7743, 10.1074/jbc.C200677200
Heath-Engel, 2006, Mitochondrial membrane dynamics, cristae remodelling and apoptosis, Biochim Biophys Acta, 1763, 549, 10.1016/j.bbamcr.2006.02.006
Lee, 2004, Roles of the mammalian mitochondrial fission and fusion mediators Fis1, Drp1, and Opa1 in apoptosis, Mol Biol Cell, 15, 5001, 10.1091/mbc.e04-04-0294
Parone, 2006, Inhibiting the mitochondrial fission machinery does not prevent Bax/Bak-dependent apoptosis, Mol Cell Biol, 26, 7397, 10.1128/MCB.02282-05
Yuan, 2007, Mitochondrial fission is an upstream and required event for bax foci formation in response to nitric oxide in cortical neurons, Cell Death Differ, 14, 462, 10.1038/sj.cdd.4402046
Jetton, 2005, Mechanisms of compensatory beta-cell growth in insulin-resistant rats: roles of Akt kinase, Diabetes, 54, 2294, 10.2337/diabetes.54.8.2294
Choi, 2007, Involvement of Ca2+-mediated apoptotic signals in palmitate-induced MIN6N8a beta cell death, Mol Cell Endocrinol, 72, 50, 10.1016/j.mce.2007.04.004
Cribbs, 20007, Reversible phosphorylation of Drp1 by cyclic AMP-dependent protein kinase and calcineurin regulates mitochondrial fission and cell death, EMBO Rep, 8, 939, 10.1038/sj.embor.7401062
Cereghetti, 2008, Dephosphorylation by calcineurin regulates translocation of Drp1 to mitochondria, Proc Natl Acad Sci U S A, 105, 15803, 10.1073/pnas.0808249105