Η καθηγήτρια νευροεπιστήμης στο Yale Elizabeth Jonas εντόπισε τη σημασία των μιτοχονδρίων για τη λειτουργία του εγκεφάλου, ενώ μελετούσε καλαμάρια. Τα μιτοχόνδρια παράγουν ενέργεια για τα κύτταρα και αποδείχθηκαν απαραίτητα για τη δραστηριότητα των νευρώνων και τη μνήμη. Η δυσλειτουργία τους, παράλληλα, συνδέεται με νευροεκφυλιστικές παθήσεις, όπως η νόσος του Πάρκινσον.
Η νεότερη έρευνα της Jonas έδειξε ότι η πρωτεΐνη DJ-1 συμμετέχει στην παραγωγή ενέργειας στα εγκεφαλικά κύτταρα, ενώ η απώλειά της σχετίζεται με επιδείνωση της νόσου. Οι μελέτες συνεχίζονται με σκοπό να αποσαφηνιστεί περαιτέρω η σχέση μιτοχονδρίων και εγκεφαλικών διαταραχών, ώστε να συμβάλουν στη βελτίωση της θεραπείας και της πρόληψής τους.
Aπό τη Meg Dalton, Πανεπιστήμιο Yale.
Η έρευνα της Elizabeth Jonas στα μιτοχόνδρια
Η ενασχόληση της Elizabeth Jonas με τα μιτοχόνδρια ξεκίνησε τυχαία. Το 1995, ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Yale, εργαζόταν στο Θαλάσσιο Βιολογικό Εργαστήριο στο Woods Hole της Μασαχουσέτης και προσπαθούσε να καταγράψει ηλεκτρικά ρεύματα στους νευρώνες καλαμαριών.
«Τα καλαμάρια παρέχουν ένα καλό μοντέλο για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος», δήλωσε η Jonas, η οποία σήμερα είναι καθηγήτρια νευροεπιστήμης στο Yale. «Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωσή μας, παρέχουν ένα καλό μοντέλο για το πώς λειτουργεί η σύναψη, δηλαδή η σύνδεση μεταξύ των δύο νευρώνων».
Οι μετρήσεις των ηλεκτρικών ρευμάτων οδήγησαν την Jonas σε ένα απρόσμενο σημείο του προσυναπτικού τερματικού άκρου των καλαμαριών: τα μιτοχόνδρια. Πρόκειται για μικροσκοπικά οργανίδια που παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας των κυττάρων και είναι καθοριστικά για τη ζωή και τον θάνατο των νευρώνων, αλλά και άλλων κυττάρων.
Η Jonas συνεχίζει να ερευνά τα μιτοχόνδρια και τη συμμετοχή τους στη δημιουργία μνήμης, καθώς και σε νευροεκφυλιστικές παθήσεις όπως η νόσος του Πάρκινσον. Μαζί με τους συναδέλφους της, έχει δείξει ότι η πρωτεΐνη DJ-1 βοηθά τα εγκεφαλικά κύτταρα να παράγουν ενέργεια, καθώς αλληλεπιδρά άμεσα με τη συνθάση ATP, το βασικό μόριο παραγωγής ενέργειας. Αυτό φαίνεται ιδιαίτερα σε κύτταρα που είναι γνωστό ότι έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να πεθάνουν στη νόσο του Πάρκινσον.
Η DJ-1, η παραγωγή ενέργειας και η νόσος Πάρκινσον
Για την καλή υγεία, ένας ώριμος εγκέφαλος χρειάζεται να παράγει ενέργεια αποτελεσματικά. Η Jonas και οι συνεργάτες της διαπίστωσαν ότι η αποδοτικότητα αυτή μπορεί να μεταβάλλεται, ανάλογα με τον τρόπο που μόρια όπως η DJ-1 αλληλεπιδρούν με τη συνθάση ATP. Αν τέτοια μόρια απουσιάζουν ή δεν λειτουργούν σωστά, όπως συμβαίνει σε ορισμένες περιπτώσεις της νόσου Πάρκινσον, δεν πραγματοποιούνται οι αλλαγές στην αποδοτικότητα. Έτσι, ο εγκέφαλος μπορεί να εμφανίσει ενεργειακά ελλείμματα, βλάβες ή ακόμη και κυτταρικό θάνατο.
Σε πρόσφατη μελέτη στο περιοδικό Science Advances, η Jonas εξέτασε πώς συνδέονται τα μιτοχόνδρια και η DJ-1 με τη νόσο Πάρκινσον. Η έρευνα κατέγραψε μεγαλύτερες απώλειες DJ-1 σε ασθενείς με τη νόσο. Επίσης, στη νόσο Πάρκινσον η απώλεια εμφανίζεται συχνότερα σε σημεία πιο μακριά από το κέντρο των κυττάρων, στους νευρώνες που παράγουν και απελευθερώνουν τον χημικό αγγελιοφόρο ντοπαμίνη.
Ορισμένοι από αυτούς τους νευρώνες, που ονομάζονται ντοπαμινεργικά κύτταρα, είναι ιδιαίτερα μεγάλοι και εκτείνονται βαθιά στον εγκέφαλο, συμβάλλοντας στον έλεγχο της φυσιολογικής κίνησης και άλλων λειτουργιών. Τα νέα ευρήματα υποδεικνύουν ότι, όσο επιδεινώνεται η νόσος Πάρκινσον, η επιδιόρθωση αυτών των μακριών νευρώνων μπορεί να γίνεται δύσκολη.
Σε συνέντευξή της, η Jonas μιλά για το πώς οι συγκεκριμένες κυτταρικές αλληλεπιδράσεις σχετίζονται με τη μνήμη, με ποιον τρόπο η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία επηρεάζει τον εγκέφαλο και τι ενδέχεται να δείξει η έρευνά της για τη διαχείριση ή την πρόληψη των νευροεκφυλιστικών παθήσεων.
Για λόγους σαφήνειας και έκτασης, η συνέντευξη έχει υποστεί επεξεργασία.
Elizabeth Jonas. Credit: Dan Renzetti.
Πώς συμβάλλουν τα μιτοχόνδρια στην υγεία του εγκεφάλου και σχετίζονται με τη μνήμη;
Στον υγιή εγκέφαλο, τα μιτοχόνδρια επιτελούν πολλές λειτουργίες. Μετακινούνται για να φτάσουν στις συνάψεις, τα σημεία όπου δύο κύτταρα συναντώνται και μεταδίδουν πληροφορίες μεταξύ τους. Αν παρατηρήσετε ζωντανά μιτοχόνδρια με μικροσκόπιο, θα δείτε ότι κινούνται γρήγορα και σταματούν στις συνάψεις όπου είναι απαραίτητα. Η κίνηση αυτή είναι πολύ σημαντική για τη λειτουργία του εγκεφάλου: χωρίς τη μεταφορά των μιτοχονδρίων, οι συνάψεις δεν μπορούν να λειτουργήσουν.
Για να πραγματοποιηθεί αυτή η μετακίνηση, τα μιτοχόνδρια που βρίσκονται στο κεντρικό μέρος του κυττάρου, το γνωστό ως σώμα, διαχωρίζονται και σχηματίζουν νέα μιτοχόνδρια. Οι διαδικασίες αυτές ονομάζονται μιτοχονδριακή σχάση και βιογένεση και είναι απαραίτητες για τη διατήρηση της υγείας των μιτοχονδρίων και των συνάψεων. Σημαντική είναι και η μιτοχονδριακή σύντηξη, δηλαδή η ένωση των μιτοχονδρίων. Στον κάθε νευρώνα, η σχάση, η σύντηξη και η βιογένεση λαμβάνουν χώρα πολλές φορές ημερησίως.
Εξετάζουμε τις ταχείες μεταβολές των μιτοχονδρίων όσο λειτουργεί ο εγκέφαλος. Πόσο εύπλαστα είναι και μεταβάλλονται αδιάκοπα; Πόσο χρόνο χρειάζονται αυτές οι αλλαγές; Αν παρατηρήσουμε το εσωτερικό τους και τραβήξουμε μια φωτογραφία, θα καταγράψουμε κάποια μεταβολή; Ναι· οι αλλαγές μπορεί να εξελιχθούν μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα ή λεπτά.
Πώς η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία επηρεάζει τον εγκέφαλο
Με ποιους τρόπους συνδέεται η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία ή βλάβη με τις εγκεφαλικές διαταραχές, από τις ψυχιατρικές έως τις νευροεκφυλιστικές ασθένειες;
Σε αυτές τις διαταραχές, τα μιτοχόνδρια εμπλέκονται με διάφορους τρόπους. Κεντρικός είναι ο ρόλος τους στην παραγωγή ενέργειας ως τριφωσφορική αδενοσίνη [ATP], η οποία αποτελεί την κύρια ενεργειακή πηγή των ζωντανών κυττάρων. Βλάβες στα μιτοχόνδρια, όπως εκείνες που παρατηρούνται σε εκφυλιστικές εγκεφαλικές διαταραχές, επηρεάζουν τη κινητικότητά τους και την παραγωγή ενέργειας. Παράλληλα, δυσλειτουργούν διάφορες κυτταρικές διεργασίες, μεταξύ των οποίων η κυτταρική επιδιόρθωση και η απομάκρυνση αποβλήτων, με αποτέλεσμα να απειλούνται τα κύτταρα.
Χωρίς μιτοχόνδρια, οι νευρώνες δεν είναι σε θέση να λειτουργήσουν. Η απώλεια της μιτοχονδριακής λειτουργίας μπορεί να εμφανιστεί τόσο σε αναπτυξιακές όσο και σε εκφυλιστικές διαταραχές. Πέρα από την παραγωγή ενέργειας, εξίσου ουσιαστική είναι η συμβολή τους στην ανάπτυξη και την επιδιόρθωση των κυττάρων. Η αδυναμία αποκατάστασης των κατεστραμμένων νευρώνων αποτελεί πρόβλημα.
Για να στηρίξουν την ανάπτυξη και την επιδιόρθωση, τα μιτοχόνδρια παράγουν αμινοξέα και λιπίδια, που χρησιμεύουν ως δομικά συστατικά των κυτταρικών μορίων. Αν τα κύτταρα αδυνατούν να αποκαταστήσουν τις φθαρμένες πρωτεΐνες και τα λιπίδια, διακυβεύεται η λειτουργία του εγκεφάλου. Ωστόσο, πρόβλημα προκύπτει και όταν, για παράδειγμα, η παραγωγή πρωτεϊνών δεν μπορεί να ανασταλεί: τότε συσσωρεύονται επιπλέον πρωτεΐνες και επιβαρύνεται η αποικοδόμησή τους, κατάσταση που ονομάζεται «δυσλειτουργία πρωτεόστασης».
Στους νευρώνες και τις συνάψεις, τα μιτοχόνδρια ρυθμίζουν την ηλεκτρική δραστηριότητα που εκτυλίσσεται λεπτό προς λεπτό, καθώς και την επικοινωνία των νευρώνων. Σε αυτές τις λειτουργίες περιλαμβάνονται η πυροδότηση δυναμικών δράσης και η απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών. Για να γίνουν σωστά, οι νευρώνες χρειάζονται μιτοχόνδρια, τα οποία προσλαμβάνουν ιόντα όπως το ασβέστιο, παράγουν ATP και διαχειρίζονται τις ειδικές πρωτεΐνες και τα λιπίδια που απαιτούνται.
Μιτοχόνδρια και νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις
Πώς θα μπορούσε η έρευνα για τη συμμετοχή των μιτοχονδρίων στις εγκεφαλικές διαταραχές να συμβάλει στη βελτίωση της θεραπείας των ανθρώπων που τις εμφανίζουν;
Εντοπίσαμε ένα κανάλι ιόντων, δηλαδή ένα άνοιγμα στην κυτταρική μεμβράνη από το οποίο περνούν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, που βρίσκεται πίσω από πολλά προβλήματα. Σε αυτά περιλαμβάνονται η μειωμένη ενεργειακή απόδοση και η διαταραχή της κυτταρικής επιδιόρθωσης. Πρόκειται για διαρροή στα μιτοχόνδρια, γνωστή ως δακτύλιος c-υπομονάδας της συνθετάσης ATP [ACLC].
Τα κανάλια αποτελούν κατάλληλους στόχους για φάρμακα, καθώς το άνοιγμα ή το κλείσιμό τους μπορεί να μεταβάλει έντονα την ηλεκτρική δραστηριότητα των οργανιδίων και των κυττάρων. Όταν κλείνει το ACLC, η διαρροή από τα μιτοχόνδρια σταματά και η λειτουργία τους βελτιώνεται ξανά. Έτσι, μπορούμε να ρυθμίσουμε τη δραστηριότητα του καναλιού ACLC, ελέγχοντας πόση ενέργεια παράγεται, αλλά και τον ρυθμό παραγωγής πρωτεϊνών και λιπών στους νευρώνες ανθρώπων με νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Διαθέτουμε πλέον ορισμένες πολλά υποσχόμενες ενώσεις [μόρια], οι οποίες μπορούν να διακόψουν τη διαρροή.
Παράλληλα, δοκιμάζουμε τις ενώσεις για να καταλάβουμε σε ποιες διαφορετικές συνθήκες ενδέχεται να είναι χρήσιμες και πότε είναι κατάλληλο να χρησιμοποιούνται. Σε ποια περιοχή και σε ποιο στάδιο ανάπτυξης ή εκφύλισης θα ήταν πιο ωφέλιμη για τους ασθενείς η λήψη τους; Θα πρέπει να στοχεύουν συγκεκριμένα σημεία του εγκεφάλου; Μπορεί να ωφεληθούν και άλλα όργανα του σώματος από τις θεραπείες αυτές ή από την πρόληψη βλαβών που ενδέχεται να προκαλέσουν οι ενώσεις; Θα μπορούσε η μακροχρόνια θεραπεία με αυτές να έχει αρνητικές συνέπειες;
Μελλοντική έρευνα για τη μνήμη και τη γήρανση
Ποια άλλα ζητήματα γύρω από τα μιτοχόνδρια και τον εγκέφαλο θα θέλατε να μελετήσετε στη συνέχεια;
Μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε τον ρόλο των μιτοχονδρίων στη μνήμη, στις διαταραχές της διάθεσης και στην κινητική λειτουργία, τόσο στον εγκέφαλο όσο και σε άλλα όργανα. Τι συμβαίνει με τη γήρανση, τη μυϊκή και την καρδιακή δύναμη, καθώς και με τη λειτουργία και τις ασθένειες του ήπατος και των νεφρών; Αναρωτιόμαστε πώς θα αξιοποιήσουμε τις γνώσεις για τα μιτοχόνδρια, ώστε να αποτρέψουμε τη νευροεκφύλιση. Επίσης, πώς μπορούμε να ενισχύσουμε τη νευροανάπτυξη και να βοηθήσουμε τα άτομα με νευροαναπτυξιακές διαταραχές να έχουν φυσιολογική λειτουργία όσο μεγαλώνουν;
Το ερευνητικό έργο που έχουμε μπροστά μας είναι εκτεταμένο. Πέρα από τον ρόλο τους ως «δυνάμεις ενέργειας» των κυττάρων, τα μιτοχόνδρια επιτελούν πολλές ακόμη λειτουργίες που μελετούμε εμείς και άλλοι επιστήμονες. Και πολλά μένουν ακόμη να ανακαλυφθούν.
Σύνοψη των βασικών ευρημάτων για τα μιτοχόνδρια και τον εγκέφαλο
- Η Elizabeth Jonas, καθηγήτρια νευροεπιστήμης στο Yale, ανακάλυψε μέσα από έρευνες σε καλαμάρια πόσο σημαντικά είναι τα μιτοχόνδρια για τη λειτουργία του εγκεφάλου.
- Για τους νευρώνες και τη μνήμη, τα μιτοχόνδρια είναι απαραίτητα, ενώ η δυσλειτουργία τους συνδέεται με νευροεκφυλιστικές παθήσεις, όπως η νόσος του Πάρκινσον.
- Η DJ-1, μια πρωτεΐνη που συμμετέχει στην ενεργειακή παραγωγή των εγκεφαλικών κυττάρων, συνδέεται μέσω της απώλειάς της με επιδείνωση της νόσου.
- Οι επιστήμονες μελετούν τη σχέση ανάμεσα στα μιτοχόνδρια και τις εγκεφαλικές διαταραχές, επιδιώκοντας να κατανοήσουν καλύτερα αυτές τις παθήσεις και να βελτιώσουν τη θεραπεία και την πρόληψή τους.
- Τα μιτοχόνδρια είναι καθοριστικά για την παροχή ενέργειας και την επιδιόρθωση των κυττάρων, ενώ η δυσλειτουργία τους μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές βλάβες στον εγκέφαλο.
Το άρθρο στο ygeiax.gr: https://www.ygeiax.gr/health/apokalyptontai-ta-mitochondria-os-mystiko-gia-enan-akmaio-egkefalo/13578
