Aπό τη Meg Dalton, Πανεπιστήμιο Yale.
Η Elizabeth Jonas ενδιαφέρθηκε για τα μιτοχόνδρια τυχαία. Το 1995, ήταν μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Yale, εργαζόμενη στο Θαλάσσιο Βιολογικό Εργαστήριο στο Woods Hole της Μασαχουσέτης, όπου προσπαθούσε να καταγράψει τα ηλεκτρικά ρεύματα μέσα στους νευρώνες των καλαμαριών.
«Τα καλαμάρια παρέχουν ένα καλό μοντέλο για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος», δήλωσε η Jonas, η οποία είναι τώρα καθηγητής 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».
Η Jonas ανακάλυψε ότι οι καταγραφές ηλεκτρικών ρευμάτων προέρχονταν από ένα απροσδόκητο σημείο μέσα στο προσυναπτικό τερματικό άκρο των καλαμαριών -τα μιτοχόνδρια. Αυτά τα μικροσκοπικά οργανίδια, τα οποία παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας στα κύτταρα, είναι κρίσιμα για τη ζωή και τον θάνατο των νευρώνων και άλλων κυττάρων.
Η Jonas, εξακολουθεί να μελετά τα μιτοχόνδρια -και τον ρόλο που παίζουν στον σχηματισμό μνήμης και σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως η νόσος του Πάρκινσον. Στο έργο της, αυτή και οι συνάδελφοί της ερευνητές έχουν δείξει πώς μια πρωτεΐνη γνωστή ως DJ-1 βοηθά τα εγκεφαλικά κύτταρα να παράγουν ενέργεια αλληλεπιδρώντας άμεσα με το βασικό μόριο παραγωγής ενέργειας, τη συνθάση ATP -ιδιαίτερα σε κύτταρα που είναι γνωστό ότι είναι πιο πιθανό να πεθάνουν στη νόσο του Πάρκινσον.
Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι ένας ώριμος εγκέφαλος πρέπει να παράγει ενέργεια αποτελεσματικά για να βελτιστοποιήσει την υγεία. Αυτή η αποτελεσματικότητα, διαπίστωσαν η Jonas και οι συνάδελφοί της, μπορεί να αλλάξει ανάλογα με την αλληλεπίδραση μορίων όπως η πρωτεΐνη DJ-1 με τη συνθάση ATP. Και όταν τέτοια μόρια χάνονται ή είναι ελαττωματικά (όπως σε ορισμένες περιπτώσεις της νόσου Πάρκινσον), οι αλλαγές στην αποτελεσματικότητα δεν συμβαίνουν και ο εγκέφαλος μπορεί να υποστεί ενεργειακά ελλείμματα, βλάβες, ακόμη και θάνατο.
Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances, η Jonas διερεύνησε τη σχέση μεταξύ των μιτοχονδρίων, του DJ-1 και της νόσου Πάρκινσον, βρίσκοντας μεγαλύτερες απώλειες DJ-1 σε ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον. Επιπλέον, στη νόσο Πάρκινσον αυτές οι απώλειες συμβαίνουν συχνότερα σε θέσεις πιο μακριά από το κέντρο των κυττάρων στους νευρώνες που παράγουν και απελευθερώνουν τον χημικό αγγελιοφόρο ντοπαμίνη.
Μερικοί από αυτούς τους νευρώνες (γνωστοί ως ντοπαμινεργικά κύτταρα) είναι πολύ μεγάλοι και εκτείνονται βαθιά στον εγκέφαλο για να βοηθήσουν στον έλεγχο της φυσιολογικής κίνησης και άλλων λειτουργιών. Καθώς η νόσος Πάρκινσον επιδεινώνεται, υποδηλώνουν τα νέα ευρήματα, μπορεί να είναι δύσκολο για αυτούς τους επιμήκεις νευρώνες να επιδιορθωθούν.
Σε μια συνέντευξη, η Jonas συζητά τη σύνδεση μεταξύ αυτών των κυτταρικών αλληλεπιδράσεων και της μνήμης, πώς η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία επηρεάζει τον εγκέφαλο και τι μπορεί να αποκαλύψει η έρευνά της σχετικά με τη διαχείριση ή την πρόληψη των νευροεκφυλιστικών ασθενειών.
Η συνέντευξη έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους μήκους και σαφήνειας.
Elizabeth Jonas. Credit: Dan Renzetti.
Ποιος είναι ο ρόλος των μιτοχονδρίων στην υγεία του εγκεφάλου; Υπάρχει σύνδεση μεταξύ των μιτοχονδρίων και της μνήμης;
Τα μιτοχόνδρια κάνουν κάθε είδους πράγματα στον υγιή εγκέφαλο. Για να φτάσουν στις συνάψεις -το σημείο όπου δύο κύτταρα συναντώνται για να μεταδώσουν πληροφορίες μεταξύ τους- κινούνται. Αν δείτε ζωντανά μιτοχόνδρια με μικροσκόπιο, μπορείτε να τα δείτε να κινούνται γρήγορα και να σταματούν στις συνάψεις όπου χρειάζονται. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για τη λειτουργία του εγκεφάλου. Αποδεικνύεται ότι δεν μπορείτε να λειτουργήσετε τις συνάψεις χωρίς να μετακινήσετε τα μιτοχόνδρια.
Για να γίνει αυτή η κίνηση, τα μιτοχόνδρια στο κεντρικό τμήμα του κυττάρου [γνωστό ως σώμα] αποσπώνται για να δημιουργήσουν νέα μιτοχόνδρια, χρησιμοποιώντας διαδικασίες που ονομάζονται μιτοχονδριακή σχάση και βιογένεση. Αυτές οι δραστηριότητες είναι σημαντικές για τη συνεχή μιτοχονδριακή και συναπτική υγεία. Η μιτοχονδριακή σύντηξη, ή η συνάντηση των μιτοχονδρίων, είναι επίσης το κλειδί. Τα γεγονότα σχάσης, σύντηξης και βιογένεσης συμβαίνουν πολλές φορές την ημέρα σε κάθε νευρώνα.
Μας ενδιαφέρει το πώς αλλάζουν γρήγορα τα μιτοχόνδρια κατά τη λειτουργία του εγκεφάλου. Πόσο πλαστικά είναι τα μιτοχόνδρια; Αλλάζουν συνεχώς και ποια είναι η χρονική πορεία αυτών των αλλαγών; Αν κοιτάξετε μέσα στα μιτοχόνδρια και τραβήξετε μια φωτογραφία, βλέπετε αλλαγές; Η απάντηση είναι ναι, και αυτές οι αλλαγές μπορούν να συμβούν σε διάστημα δευτερολέπτων έως λεπτών.
Πώς συμβάλλει η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία ή βλάβη στις εγκεφαλικές διαταραχές, είτε πρόκειται για ψυχιατρικές ασθένειες είτε για νευροεκφυλιστικές ασθένειες;
Τα μιτοχόνδρια συμβάλλουν σε αυτές τις διαταραχές με πολλούς τρόπους. Αναμφισβήτητα ο πιο σημαντικός είναι ότι τα μιτοχόνδρια παράγουν ενέργεια με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης [ATP], της κύριας πηγής ενέργειας στα ζωντανά κύτταρα. Όταν τα μιτοχόνδρια υποβάλλονται σε βλάβη, όπως σε εκφυλιστικές διαταραχές του εγκεφάλου, η κινητικότητά τους, η ικανότητά τους να παράγουν ενέργεια και η ρύθμιση αρκετών κυτταρικών διεργασιών, συμπεριλαμβανομένης της επιδιόρθωσης των κυττάρων και της απόρριψης αποβλήτων, καθίστανται δυσλειτουργικά, θέτοντας τα κύτταρα σε κίνδυνο.
Οι νευρώνες δεν μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς μιτοχόνδρια. Απώλεια μιτοχονδριακών λειτουργιών μπορεί να συμβεί σε αναπτυξιακές διαταραχές καθώς και σε εκφυλιστικές διαταραχές. Εξίσου σημαντικό με την παραγωγή ενέργειας είναι ο ρόλος που παίζουν τα μιτοχόνδρια στην ανάπτυξη και την επιδιόρθωση των κυττάρων. Εάν δεν μπορείτε να επιδιορθώσετε νευρώνες που έχουν υποστεί βλάβη, τότε αυτό είναι ένα πρόβλημα.
Τα μιτοχόνδρια συμβάλλουν στην ανάπτυξη και την επιδιόρθωση παράγοντας τα αμινοξέα και τα λιπίδια που αποτελούν τα δομικά στοιχεία για τα κυτταρικά μόρια. Εάν τα κύτταρα δεν μπορούν να επιδιορθώσουν τις κατεστραμμένες πρωτεΐνες και λιπίδια, ο εγκέφαλος δεν μπορεί να λειτουργήσει. Αλλά από την άλλη πλευρά, εάν δεν μπορείτε να σταματήσετε να παράγετε πρωτεΐνες, για παράδειγμα, αυτό είναι επίσης ένα τεράστιο πρόβλημα, επειδή τότε υπάρχει συσσώρευση επιπλέον πρωτεϊνών, η οποία οδηγεί σε υπερφόρτωση αποικοδόμησης γνωστή ως «δυσλειτουργία πρωτεόστασης».
Συγκεκριμένα για τους νευρώνες και τις συνάψεις, η λεπτό προς λεπτό ηλεκτρική δραστηριότητα και η επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων -γνωστή ως πυροδότηση δυναμικού δράσης και απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών- ρυθμίζονται από τα μιτοχόνδρια. Για να εκτελέσουν σωστά αυτές τις δραστηριότητες, οι νευρώνες βασίζονται στα μιτοχόνδρια για να προσλάβουν ιόντα όπως το ασβέστιο για να παράγουν ATP και να διαχειριστούν τις ειδικές πρωτεΐνες και λιπίδια που απαιτούνται για αυτές τις λειτουργίες.
Πώς μπορεί η μελέτη του ρόλου των μιτοχονδρίων στις εγκεφαλικές διαταραχές να βελτιώσει τη θεραπεία για άτομα που τις αναπτύσσουν;
Βρήκαμε ένα κανάλι ιόντων [μια οπή στην κυτταρική μεμβράνη που επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων] που αποτελεί την πηγή πολλών προβλημάτων, συμπεριλαμβανομένης της απώλειας ενεργειακής απόδοσης και της δυσλειτουργίας στην κυτταρική επιδιόρθωση. Το κανάλι είναι μια διαρροή στα μιτοχόνδρια, γνωστή ως δακτύλιος c-υπομονάδας της συνθετάσης ATP [ACLC].
Τα κανάλια είναι καλοί στόχοι φαρμάκων, επειδή το άνοιγμα και το κλείσιμό τους μπορεί να αλλάξει δραστικά την ηλεκτρική δραστηριότητα των οργανιδίων και των κυττάρων. Με το ACLC, το κλείσιμο σταματά τη διαρροή στα μιτοχόνδρια, κάνοντάς τα να λειτουργούν ξανά καλύτερα. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να προσαρμόσουμε τη δραστηριότητα του καναλιού ACLC για να ελέγξουμε πόση ενέργεια παράγεται και πόσο γρήγορα παράγονται οι πρωτεΐνες και τα λίπη στους νευρώνες των ατόμων με νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Τώρα έχουμε μερικές πολλά υποσχόμενες ενώσεις [μόρια] που μπορούν να σταματήσουν τη διαρροή.
Επίσης, δοκιμάζουμε τις ενώσεις για να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τις διαφορετικές συνθήκες στις οποίες μπορεί να είναι χρήσιμες και να προσδιορίσουμε τον κατάλληλο χρόνο χρήσης τους. Πού και σε ποιο στάδιο ανάπτυξης ή εκφύλισης θα είναι πιο χρήσιμο για τους ασθενείς να λαμβάνουν τις ενώσεις; Θα χρειαστεί να στοχεύσουν συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου; Θα ωφεληθούν άλλα όργανα του σώματος από αυτές τις θεραπείες ή από την πρόληψη βλαβών που μπορεί να προκαλέσουν αυτές οι ενώσεις; Θα υπάρξουν αρνητικές συνέπειες από τη μακροχρόνια θεραπεία με αυτές τις ενώσεις;
Προχωρώντας, τι άλλο ελπίζετε να διερευνήσετε όσον αφορά τα μιτοχόνδρια και τον εγκέφαλο;
Θέλουμε να μάθουμε το ρόλο που παίζουν τα μιτοχόνδρια στο σχηματισμό μνήμης, στις διαταραχές της διάθεσης και στην κινητική λειτουργία όχι μόνο στον εγκέφαλο αλλά και σε άλλα όργανα του σώματος. Πώς παίζουν ρόλο στη γήρανση; Στη μυϊκή και καρδιακή δύναμη; Στη λειτουργία και τις ασθένειες του ήπατος και των νεφρών; Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για τα μιτοχόνδρια για να αποτρέψουμε τη νευροεκφύλιση; Πώς μπορούμε να βελτιώσουμε τη νευροανάπτυξη, ώστε τα άτομα με νευροαναπτυξιακές διαταραχές να μπορούν να έχουν φυσιολογική λειτουργία καθώς μεγαλώνουν;
Έχουμε πολλή δουλειά να κάνουμε! Τα μιτοχόνδρια δεν είναι απλώς οι «δυνάμεις ενέργειας» των κυττάρων, αλλά έχουν πολλές άλλες λειτουργίες που εμείς και άλλοι επιστήμονες εξερευνούμε. Υπάρχουν περισσότερα που πρέπει να ανακαλυφθούν.
