L'ultima ricerca dell'USTC: per ritardare l'invecchiamento è necessario salvare i mitocondri!

Il mitocondrio è un organello semi-autonomo presente nella maggior parte delle cellule eucariotiche. Contiene materiale genetico limitato ed è anche il luogo in cui viene prodotta l'energia necessaria alla cellula stessa. Inoltre, i mitocondri sono coinvolti anche in processi fisiologici come la differenziazione cellulare, la trasmissione di informazioni intercellulari e l'apoptosi cellulare e sono essenziali per le normali funzioni fisiologiche di varie cellule del nostro corpo. La struttura dei mitocondri può essere divisa in membrana esterna, spazio intermembrana, membrana interna, creste mitocondriali (una struttura formata dal ripiegamento della membrana interna mitocondriale verso la matrice mitocondriale. La formazione di creste mitocondriali aumenta la superficie della membrana interna mitocondriale) e matrice mitocondriale dall'esterno all'interno (Figura 1).

Figura 1 Struttura mitocondriale

L'invecchiamento è un processo inevitabile per ognuno di noi. Durante il processo di invecchiamento, la struttura del cervello subirà cambiamenti degenerativi irreversibili, come la riduzione del volume della corteccia cerebrale. Questo cambiamento strutturale avrà senza dubbio ripercussioni sul normale funzionamento del cervello, che si rifletteranno nella nostra vita quotidiana, ad esempio con una ridotta capacità di reazione, lentezza nei movimenti o cambiamenti nelle emozioni psicologiche. Allo stesso modo, con l'invecchiamento, cambia anche la struttura dei mitocondri in ciascuna delle nostre cellule, con la graduale retrazione delle creste mitocondriali sulla membrana mitocondriale interna, la frammentazione della matrice mitocondriale, la formazione di strutture simili a vescicole sulla membrana mitocondriale interna e la dissociazione dell'ATPasi dimerica sulla membrana interna in monomeri. Alla fine, la membrana esterna si rompe, rilasciando fattori apoptotici nel citoplasma, portando alla morte cellulare[1]. Tuttavia, i meccanismi molecolari alla base di questi cambiamenti anomali nella struttura mitocondriale dovuti all'invecchiamento restano poco chiari.

Di recente, il team di Liu Qiang dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha pubblicato un articolo di ricerca intitolato "Il frammento derivato dal tRNAGlu indotto dall'invecchiamento compromette la biosintesi del glutammato prendendo di mira l'organizzazione delle creste dipendente dalla traduzione mitocondriale" sulla rivista Cell Metabolism [2]. Lo studio ha scoperto che l'RNA di trasferimento del glutammato (tRNAGlu) rilasciato dai nuclei dei neuroni glutammatergici nel cervello invecchiato viene scisso in frammenti di microRNA (piccoli RNA derivati ​​da RNA di trasferimento, tsRNA) - Glu-5'tsRNA-CTC e aggregati nei mitocondri, interrompendo così il legame dell'RNA di trasferimento della leucina mitocondriale (mt-tRNALeu) e della sintetasi dell'RNA di trasferimento della leucina 2 (Leucyl-tRNA sintetasi2, LaRs2), compromettendo l'amminoacilazione dell'RNA di trasferimento della leucina mitocondriale e la traduzione delle proteine ​​codificate dai mitocondri. Inoltre, l'aggregazione di Glu-5'tsRNA-CTC provoca anche modifiche nella struttura delle creste mitocondriali, compromettendo il processo di sintesi del glutammato dipendente dalla glutaminasi (GLS), riducendo il contenuto di glutammato intersinaptico e portando alla comparsa di manifestazioni legate all'invecchiamento, come la perdita di memoria. Inoltre, oltre a rivelare l'importanza dell'ultrastruttura mitocondriale nel mantenimento dell'omeostasi del glutammato in condizioni fisiologiche, questo studio ha anche scoperto il ruolo patologico dei frammenti di microRNA derivati ​​dall'RNA di trasferimento nell'invecchiamento e nelle malattie ad esso correlate.

Attraverso il sequenziamento dell'RNA, il team di ricerca ha scoperto per la prima volta che, rispetto ai topi giovani, il Glu-5'tsRNA-CTC nel cervello dei topi anziani aumentava in modo significativo e che l'aumento del Glu-5'tsRNA-CTC era causato dall'angiogenina (ANG, una ribonucleasi della famiglia RNasi A responsabile della scissione dell'RNA di trasferimento). Nei giovani, l'angiogenina è distribuita principalmente nel nucleo cellulare in forma fosforilata. Con l'avanzare dell'invecchiamento, l'angiogenina si defosforila gradualmente e si distribuisce gradualmente nel citoplasma per scindere l'RNA di trasporto, con conseguente produzione di un gran numero di frammenti di microRNA. Vale la pena ricordare che il sito della serina 28 (Ser28) sull'angiopoietina è il sito che media la fosforilazione dell'angiopoietina.

Attraverso esperimenti di colorazione con marcatori, il team di ricerca ha scoperto che i Glu-5'tsRNA-CTC erano concentrati nei mitocondri dei neuroni. Dopo aver confrontato attentamente il contenuto di Glu-5'tsRNA-CTC in varie strutture mitocondriali, hanno determinato che i Glu-5'tsRNA-CTC erano concentrati principalmente nella matrice mitocondriale. Sorprendentemente, non c'è angiogenina nei mitocondri, il che indica che il Glu-5'tsRNA-CTC deve entrare nei mitocondri in altri modi anziché essere scisso direttamente nei mitocondri. La risposta è stata fornita dalle sonde di RNA e dall'analisi della spettrometria di massa. La leucina transfer RNA sintetasi 2 sintetizzata nel citoplasma è il "complice" che si lega al Glu-5'tsRNA-CTC e lo aiuta a entrare nei mitocondri. Dopo che la leucina transfer RNA sintetasi 2 si lega al sito UUA di Glu-5'tsRNA-CTC, Glu-5'tsRNA-CTC viene fagocitato dai mitocondri nella matrice mitocondriale con l'aiuto della leucina transfer RNA sintetasi 2. Tuttavia, questo legame impedisce alla leucina transfer RNA sintetasi 2 di interagire con il suo "partner" originale, l'RNA di trasferimento della leucina mitocondriale, perché Glu-5'tsRNA-CTC occupa in anticipo il sito di legame, rendendo impossibile l'amminoacilazione normale dell'RNA di trasferimento della leucina mitocondriale (Figura 2).

Figura 2 Diagramma schematico del legame competitivo tra Glu-5'tsRNA-CTC e RNA di trasferimento della leucina mitocondriale

La leucina è presente in molte proteine ​​codificate dal genoma mitocondriale. A causa dell'interferenza di Glu-5'tsRNA-CTC, la leucina non può essere normalmente amminoacilata, con conseguente incapacità di tradurre e produrre normalmente le proteine ​​mitocondriali. Come accennato nell'articolo precedente, con il processo di invecchiamento, le creste mitocondriali si ritraggono gradualmente verso la membrana interna dei mitocondri. Utilizzando topi knockout per Glu-5'tsRNA-CTC e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), il team di ricerca ha scoperto che la retrazione delle creste mitocondriali è dovuta all'incapacità delle proteine ​​mitocondriali di essere tradotte, normalmente causata da Glu-5'tsRNA-CTC. Ciò porta in ultima analisi a una compromissione della funzionalità mitocondriale.

Il glutammato è il neurotrasmettitore eccitatorio più comune nella segnalazione interneuronale. Viene rilasciato dalla membrana presinaptica e riconosciuto dai recettori del glutammato sulla membrana postsinaptica per attivare segnali a valle. L'ultimo passaggio nella sintesi del glutammato nella membrana presinaptica è la conversione della glutammina in glutammato, catalizzata dalla glutaminasi, che si trova sulle creste mitocondriali. Pertanto, quando l'invecchiamento porta infine a una struttura anomala delle creste mitocondriali, il grado di ubiquitinazione della glutaminasi aumenta, causando la degradazione di una grande quantità di glutaminasi e una diminuzione del suo contenuto, che alla fine porta a una diminuzione del contenuto di glutammato tra le sinapsi e a una significativa diminuzione della capacità di memoria dei topi. Oltre a indicare direttamente che l'aumento di Glu-5'tsRNA-CTC è direttamente correlato ai deficit di memoria causati dall'invecchiamento, i risultati sopra riportati suggeriscono anche che la riduzione del contenuto di Glu-5'tsRNA-CTC può proteggere i topi anziani dalla disfunzione mitocondriale, dai disturbi del metabolismo del glutammato e dalla disfunzione della memoria (Figura 3).

Figura 3 Diagramma schematico degli effetti patologici di Glu-5'tsRNA-CTC

Oltre a una serie di studi sui topi, il team di ricerca ha riscontrato livelli più elevati di Glu-5'tsRNA-CTC anche nel cervello di primati anziani (macachi rhesus ed esseri umani). Questi fenomeni suggeriscono ulteriormente che Glu-5'tsRNA-CTC potrebbe essere un potenziale bersaglio per il trattamento dei disturbi della memoria correlati all'invecchiamento. Per questo motivo, il team di ricerca ha progettato un oligonucleotide antisenso (ASO) che ha come bersaglio Glu-5'tsRNA-CTC per il trattamento. L'oligonucleotide antisenso è un oligonucleotide sintetizzato chimicamente, solitamente lungo 12-30 nucleotidi, che può appaiarsi e legarsi all'RNA bersaglio tramite regole di appaiamento delle basi, causando così la degradazione o la rottura dell'RNA bersaglio, oppure occupando il sito di legame dell'RNA bersaglio, rendendolo incapace di tradursi normalmente, svolgendo così un ruolo inibitorio. Il team di ricerca ha utilizzato con successo l'oligonucleotide antisenso Glu-5'tsRNA-CTC per ottenere effetti terapeutici ideali nei topi. Naturalmente, nonostante il team di ricerca abbia fatto un passo avanti importante nello studio del Glu-5'tsRNA-CTC, un frammento di microRNA derivato dall'RNA di trasferimento, in realtà nelle cellule sono presenti molti frammenti di microRNA. Non è escluso che anche altri frammenti di microRNA svolgano un ruolo importante in condizioni fisiologiche o patologiche. Forse in futuro la combinazione di oligonucleotidi antisenso di più frammenti di microRNA sarà un metodo di cura migliore.

Riferimenti:

[1] Daum B, Walter A, Horst A, Osiewacz HD, Kühlbrandt W. Dissociazione dipendente dall'età dei dimeri dell'ATP sintasi e perdita delle creste della membrana interna nei mitocondri. Proc Natl Acad Sci US A. 2013 settembre 17;110(38):15301-6. doi: 10.1073/pnas.1305462110. Epub 2013 4 settembre. PMID: 24006361; Italiano:

[2] Li D, Gao X, Ma 10.1016/j.cmet.2024.02.011. Epub prima della stampa. Numero di registrazione PMI: 38458203.