Privacy & Cookies

Deze site maakt gebruik van cookies. Door verder te gaan, gaat u akkoord met het gebruik ervan. Meer informatie, inclusief hoe u cookies kunt beheren.

Samenvatting van Celstructuur, Anatomische Correlaten van Metabolische Functie

Auteur en Curator: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Dit hoofdstuk heeft zich beziggehouden met de subcellulaire ultrastructuur van organellen, en belangrijk, hun functie. Er is geen afval in de celstructuur. De kern heeft de instructies die nodig zijn om de functies van de cel uit te voeren. In de Eukaryote cel is er een aanzienlijke differentiatie, zodat de cellen worden gereguleerd voor de behoeften die zij op unieke wijze vervullen. Wanneer er disregulatie is, leidt dit tot remodellering of tot celdood.

Hierna volgen enkele hoogtepunten van dit hoofdstuk.

1. Bij elk aspect van de celfunctie zijn eiwitten betrokken, ingebed in de structuur, voor de meest efficiënte werking.
2. Metabolische regulatie is afhankelijk van paden die ook verbanden zijn van eiwitten.
3. Energiegebruik is afhankelijk van enzymatische reacties, waarbij vaak essentiële metaalionen van hoge valentiegetallen betrokken zijn, die covalente en anionbinding vergemakkelijken, en een essentiële rol spelen bij allostericiteit.

Mitochondriën

Mitochondriën variëren van 0,5 tot 1,0 micrometer (μm) in diameter. Deze structuren worden soms omschreven als “cellulaire krachtcentrales”, omdat zij het grootste deel van de voorraad adenosinetrifosfaat (ATP) in de cel genereren, dat wordt gebruikt als bron van chemische energie. Naast het leveren van cellulaire energie, zijn mitochondriën betrokken bij andere taken, zoals signalering, cellulaire differentiatie, celdood, evenals de controle van de celcyclus en celgroei. Mitochondriën zijn betrokken bij verschillende menselijke ziekten, waaronder mitochondriale aandoeningen en hartdysfunctie.

Het aantal mitochondriën in een cel kan sterk variëren per organisme, weefsel, en celtype. Zo hebben rode bloedcellen geen mitochondriën, terwijl levercellen er meer dan 2000 kunnen hebben. Het organel bestaat uit compartimenten die gespecialiseerde functies vervullen. Deze compartimenten of gebieden omvatten het buitenmembraan, de intermembraanruimte, het binnenmembraan, en de cristae en matrix. Mitochondriale eiwitten variëren afhankelijk van het weefsel en de soort. Het mitochondriaal proteoom wordt verondersteld dynamisch gereguleerd te zijn. Hoewel het meeste DNA van een cel zich in de celkern bevindt, heeft het mitochondrion zijn eigen onafhankelijke genoom. Bovendien vertoont zijn DNA aanzienlijke gelijkenis met de genomen van bacteriën.

In 1913 werden deeltjes uit extracten van cavia-lever door Otto Heinrich Warburg in verband gebracht met de ademhaling, die hij “grana” noemde. Warburg en Heinrich Otto Wieland, die ook een soortgelijk mechanisme van deeltjes had gepostuleerd, waren het niet eens over de chemische aard van de ademhaling. Pas in 1925, toen David Keilin de cytochromen ontdekte, werd de ademhalingsketen beschreven. In 1939 toonden experimenten met gehakte spiercellen aan dat één zuurstofatoom twee adenosinetrifosfaatmoleculen kan vormen, en in 1941 werd het concept van fosfaatverbindingen als een vorm van energie in het celmetabolisme ontwikkeld door Fritz Albert Lipmann. In de daaropvolgende jaren werd het mechanisme achter de cellulaire ademhaling verder uitgewerkt, hoewel het verband met de mitochondriën niet bekend was. De introductie van weefselfractionering door Albert Claude maakte het mogelijk mitochondriën te isoleren van andere celfracties en biochemische analyse alleen op hen uit te voeren. In 1946 concludeerde hij dat cytochroom-oxidase en andere enzymen die verantwoordelijk zijn voor de ademhalingsketen geïsoleerd waren tot de mitchondriën.

De eerste hoge-resolutie microfoto’s verschenen in 1952, en vervingen de Janus Groen vlekken als de geprefereerde manier om de mitochondriën te visualiseren. Dit leidde tot een meer gedetailleerde analyse van de structuur van de mitochondriën, en bevestigde dat zij omgeven waren door een membraan. Het toonde ook een tweede membraan aan binnenin de mitochondriën dat zich opvouwde in richels die de binnenkamer opdeelden en dat de grootte en vorm van de mitochondriën varieerde van cel tot cel. In 1967 werd ontdekt dat mitochondriën ribosomen bevatten. In 1968 werden methoden ontwikkeld om de mitochondriale genen in kaart te brengen, waarbij de genetische en fysische kaart van gistmitochondriën in 1976 werd voltooid.

Een mitochondrium bevat buiten- en binnenmembranen die zijn samengesteld uit fosfolipide bilagen en eiwitten. De twee membranen hebben verschillende eigenschappen. Door deze dubbele membraanorganisatie zijn er vijf afzonderlijke delen van een mitochondrium. Deze zijn:

1. het buitenste mitochondriale membraan,
2. de intermembraanruimte (de ruimte tussen het buitenste en binnenste membraan),
3. het binnenste mitochondriale membraan,
4. de cristae ruimte (gevormd door plooiingen van het binnenste membraan), en
5. de matrix (ruimte binnen het binnenste membraan).

Mitochondria ontdaan van hun buitenmembraan worden mitoplasten genoemd.

Mitochondrion ultrastructure (interactief diagram) Een mitochondrion heeft een dubbel membraan; het binnenste bevat zijn chemiosmotisch apparaat en heeft diepe groeven die het oppervlak ervan vergroten. Hoewel mitochondriën meestal worden afgebeeld als een “oranje worst met een klodder erin” (zoals hier), kunnen zij vele vormen aannemen en is hun intermembraanruimte vrij dun.

De intermembraanruimte is de ruimte tussen het buitenmembraan en het binnenmembraan. Het is ook bekend als perimitochondriale ruimte. Omdat het buitenmembraan vrij doorlaatbaar is voor kleine moleculen, zijn de concentraties van kleine moleculen zoals ionen en suikers in de intermembraanruimte dezelfde als in het cytosol. Grote eiwitten moeten echter een specifieke signaalvolgorde hebben om over het buitenmembraan getransporteerd te kunnen worden, zodat de eiwitsamenstelling van deze ruimte verschilt van de eiwitsamenstelling van het cytosol. Een eiwit dat op deze wijze naar de intermembraanruimte is gelokaliseerd is cytochroom c.

De binnenste mitochondriale membraan bevat eiwitten met vijf soorten functies:

1. Degenen die de redoxreacties van oxidatieve fosforylering uitvoeren
2. ATP synthase, dat ATP in de matrix genereert
3. Specifieke transporteiwitten die de passage van metabolieten in en uit de matrix regelen
4. Proteïne-import machinerie.
5. Mitochondria fusion and fission protein.

Het bevat meer dan 151 verschillende polypeptiden, en heeft een zeer hoge eiwit-fosfolipide verhouding (meer dan 3:1 in gewicht, dat is ongeveer 1 eiwit voor 15 fosfolipiden). Het binnenmembraan bevat ongeveer 1/5 van het totale eiwit in een mitochondrium. Bovendien is het binnenmembraan rijk aan een ongewone fosfolipide, cardiolipine. Deze fosfolipide werd oorspronkelijk ontdekt in koeienharten in 1942, en is gewoonlijk kenmerkend voor mitochondriale en bacteriële plasmamembranen. Cardiolipine bevat vier vetzuren in plaats van twee, en kan helpen om het binnenmembraan ondoordringbaar te maken. In tegenstelling tot het buitenmembraan bevat het binnenmembraan geen poreinen, en is het zeer ondoordringbaar voor alle moleculen. Bijna alle ionen en moleculen hebben speciale membraantransporteurs nodig om de matrix binnen te komen of te verlaten. Eiwitten worden naar de matrix getransporteerd via het translocase van het binnenmembraan (TIM) complex of via Oxa1. Bovendien is er een membraanpotentiaal over het binnenste membraan, gevormd door de werking van de enzymen van de elektronentransportketen.

Het binnenste mitochondriale membraan is gecompartimenteerd in talrijke cristae, die het oppervlak van het binnenste mitochondriale membraan vergroten, waardoor het vermogen om ATP te produceren wordt vergroot. Voor typische lever mitochondriën, is de oppervlakte van het binnenste membraan ongeveer vijf keer zo groot als het buitenste membraan. Deze verhouding is variabel en mitochondriën van cellen die een grotere behoefte aan ATP hebben, zoals spiercellen, bevatten nog meer cristae. Deze plooien zijn bezaaid met kleine ronde lichaampjes die F1-deeltjes of oxysomen worden genoemd. Dit zijn geen eenvoudige willekeurige plooien maar eerder invaginaties van het binnenmembraan, die de algemene chemiosmotische functie kunnen beïnvloeden. Een recente studie van wiskundige modellering heeft gesuggereerd dat de optische eigenschappen van de cristae in filamenteuze mitochondriën van invloed kunnen zijn op de generatie en voortplanting van licht binnen het weefsel.

De matrix is de ruimte die door het binnenmembraan wordt omsloten. Het bevat ongeveer 2/3 van het totale eiwit in een mitochondrium. De matrix is belangrijk voor de biosynthese van vetten, zoals fosfatidylserine synthase aan de kant van het ER en fosfatidylserine decarboxylase aan de kant van het mitochondriaal. Omdat mitochondriën dynamische organellen zijn die voortdurend fusies en splitsingen ondergaan, hebben zij een constante en goed geregelde toevoer van fosfolipiden nodig voor de integriteit van hun membraan. Maar mitochondriën zijn niet alleen een bestemming voor de fosfolipiden waarvan zij de synthese beëindigen; dit organel speelt ook een rol in de inter-organelle trafiek van de tussenproducten en producten van fosfolipide biosynthetische routes, ceramide en cholesterol metabolisme, en glycosphingolipide anabolisme productie van ATP met behulp van het ATP synthase dat zich in het binnenste membraan bevindt. De matrix bevat een sterk geconcentreerd mengsel van honderden enzymen, speciale mitochondriale ribosomen, tRNA, en verscheidene kopieën van het mitochondriale DNA-genoom. De belangrijkste functies van de enzymen zijn de oxidatie van pyruvaat en vetzuren, en de citroenzuurcyclus.

Gepurificeerd MAM uit subcellulaire fractionering blijkt verrijkt te zijn in enzymen die betrokken zijn bij de uitwisseling van fosfolipiden, naast kanalen die geassocieerd zijn met Ca2+-signalering. Het mitochondria-geassocieerd ER membraan (MAM) is een ander structureel element dat meer en meer erkend wordt voor zijn kritische rol in de cellulaire fysiologie en homeostase. Ooit beschouwd als een technisch probleem in celfractioneringstechnieken, zijn de vermeende ER vesicle contaminanten die steevast verschenen in de mitochondriale fractie geheridentificeerd als membraanachtige structuren afgeleid van de MAM-de interface tussen mitochondriën en de ER. De fysische koppeling tussen deze twee organellen was reeds eerder waargenomen in elektronenmicrofoto’s en is meer recent onderzocht met fluorescentiemicroscopie. Dergelijke studies schatten dat bij de MAM, die tot 20% van de buitenmembraan van de mitochondriën kan omvatten, de ER en mitochondriën slechts 10-25 nm van elkaar gescheiden zijn en bij elkaar worden gehouden door eiwitbindingscomplexen.

Deze transportcapaciteit is afhankelijk van de MAM, waarvan is aangetoond dat deze de overdracht van lipide tussenproducten tussen organellen vergemakkelijkt. In tegenstelling tot de standaard vesiculaire mechanisme van lipide overdracht, blijkt dat de fysieke nabijheid van de ER en mitochondriale membranen op de MAM maakt het mogelijk lipide flipping tussen tegengestelde bilayers. Ondanks dit ongebruikelijke en schijnbaar energetisch ongunstige mechanisme, is voor dit transport geen ATP nodig. In plaats daarvan is bij gist aangetoond dat het afhankelijk is van een multiproteïne bindstructuur die de ER-mitochondria encounter structure of ERMES wordt genoemd, hoewel het onduidelijk blijft of deze structuur direct lipide-overdracht bemiddelt of nodig is om de membranen voldoende dicht bij elkaar te houden om de energiebarrière voor het omklappen van lipiden te verlagen.

Een kritische rol voor de ER in calcium signalering werd erkend voordat een dergelijke rol voor de mitochondriën algemeen werd aanvaard, deels omdat de lage affiniteit van Ca2+ kanalen gelokaliseerd op het buitenste mitochondriale membraan in strijd leek te zijn met de vermeende responsiviteit van dit organel op veranderingen in intracellulaire Ca2+ flux. Maar de aanwezigheid van de MAM lost deze schijnbare tegenstelling op: de nauwe fysieke associatie tussen de twee organellen resulteert in Ca2+ microdomeinen op contactpunten die efficiënte Ca2+ transmissie van de ER naar de mitochondriën vergemakkelijken. De transmissie vindt plaats in reactie op zogenaamde “Ca2+ puffs” die worden gegenereerd door spontane clustering en activering van IP3R, een canoniek ER membraan Ca2+ kanaal.

De eigenschappen van de Ca2+ pomp SERCA en het kanaal IP3R aanwezig op het ER membraan vergemakkelijken de terugkoppelingsregulatie die wordt gecoördineerd door de MAM functie. In het bijzonder maakt de klaring van Ca2+ door de MAM spatio-temporele patronen van Ca2+ signalering mogelijk omdat Ca2+ de IP3R activiteit op een bifasische manier verandert. SERCA wordt eveneens beïnvloed door mitochondriale feedback: opname van Ca2+ door de MAM stimuleert ATP productie, waardoor energie wordt geleverd die SERCA in staat stelt het ER te herladen met Ca2+ voor continue Ca2+ efflux bij de MAM. De MAM is dus geen passieve buffer voor Ca2+ puffs; in plaats daarvan helpt het bij het moduleren van verdere Ca2+ signalering via feedback loops die de ER dynamiek beïnvloeden.

Reguleren van ER afgifte van Ca2+ bij de MAM is vooral kritisch omdat slechts een bepaald venster van Ca2+ opname de mitochondriën, en bijgevolg de cel, in homeostase houdt. Voldoende intraorganel Ca2+ signalering is nodig om het metabolisme te stimuleren door dehydrogenase enzymen te activeren die cruciaal zijn voor de flux door de citroenzuurcyclus. Zodra echter de Ca2+ signalering in de mitochondria een bepaalde drempel overschrijdt, stimuleert het de intrinsieke weg van apoptose gedeeltelijk door het instorten van de mitochondriale membraanpotentiaal die nodig is voor het metabolisme. Studies die de rol van pro- en anti-apoptotische factoren onderzoeken ondersteunen dit model; bijvoorbeeld, van de anti-apoptotische factor Bcl-2 is aangetoond dat deze interageert met IP3Rs om Ca2+ vulling van de ER te verminderen, wat leidt tot verminderde efflux bij de MAM en het instorten van het mitochondriale membraanpotentiaal na apoptotische stimuli voorkomt. Gezien de noodzaak van een dergelijke fijne regulatie van Ca2+ signalering, is het misschien niet verwonderlijk dat ontregeld mitochondriaal Ca2+ betrokken is bij verschillende neurodegeneratieve ziekten, terwijl de catalogus van tumorsuppressors er een paar bevat die verrijkt zijn bij het MAM.

…meer

Lysosoom en Apoptose

Rol van autofagie in kanker

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dec 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

Autofagie is een cellulaire afbraakroute voor het opruimen van beschadigde of overbodige eiwitten en organellen. De recycling van deze intracellulaire bestanddelen dient ook als alternatieve energiebron tijdens perioden van metabole stress om de homeostase en de levensvatbaarheid te handhaven. In tumorcellen met defecten in apoptose, maakt autofagie langdurige overleving mogelijk. Paradoxaal genoeg worden autofagie-defecten geassocieerd met een verhoogde tumorigenese, maar het mechanisme hierachter is nog niet vastgesteld. Recent bewijs suggereert dat autofagie een beschermende functie heeft om tumornecrose en ontsteking te beperken, en om genoomschade in tumorcellen te beperken als reactie op metabole stress.

Duurzame activering van mTORC1 in skeletspieren remt constitutieve en door verhongering geïnduceerde autofagie en veroorzaakt een ernstige, laat ontstane myopathie

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
cell-metabolism 7 mei, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• remming van mTORC1 is nodig voor constitutieve en starvation-geïnduceerde autofagie
• Duurzame activering van mTORC1 veroorzaakt een ernstige myopathie ten gevolge van autofagie stoornis
• TSC1 depletie is voldoende om mTORC1 te activeren, ongeacht andere stimuli
• mTORC1 inactivatie is voldoende om LC3 lipidatie te activeren

Autofagie is een katabool proces dat zorgt voor homeostatische celverwijdering en wordt ontregeld in een toenemend aantal myopathologische aandoeningen. Hoewel is aangetoond dat FoxO3 de expressie van autofagie-gerelateerde genen in skeletspieren bevordert, zijn de mechanismen die autofagie triggeren onduidelijk. Wij tonen aan dat TSC1-deficiënte muizen (TSCmKO), gekarakteriseerd door aanhoudende activatie van mTORC1, een laat ontstane myopathie ontwikkelen gerelateerd aan verminderde autofagie. In jonge TSCmKO muizen wordt

• constitutieve en starvation-geïnduceerde autofagie geblokkeerd bij de inductiestappen via
• mTORC1-gemedieerde inhibitie van Ulk1, ondanks FoxO3 activatie.

Rapamycine is voldoende om autofagie te herstellen in TSCmKO muizen en

• verbetert het spierfenotype van oude mutantmuizen.

Integendeel, uitschakeling van mTORC1-signalering door

• depletie van raptor induceert autofagie ongeacht FoxO-inhibitie.

Tus is mTORC1 de dominante regulator van autofagie-inductie in skeletspieren en

• zorgt voor een strakke coördinatie van metabolische pathways.

Deze bevindingen kunnen interessante wegen openen voor therapeutische strategieën gericht op autofagie-gerelateerde spierziekten.

Histone deacetylases 1 en 2 reguleren autofagie flux en skeletspier homeostase in muizen

HDAC1 activeert FoxO en is zowel voldoende als vereist voor skeletspier atrofie

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

De Forkhead box O (FoxO) transcriptiefactoren worden geactiveerd, en zijn noodzakelijk voor de spieratrofie, in verschillende pathofysiologische omstandigheden, waaronder spierontwenning en kanker cachexie. De mechanismen die leiden tot FoxO activatie zijn echter niet goed gedefinieerd. Recente gegevens van ons laboratorium en anderen geven aan dat

• de activiteit van FoxO wordt onderdrukt onder basale omstandigheden via omkeerbare lysine acetylatie,
• die wordt gecompromitteerd tijdens katabole omstandigheden.

Daarom wilden we bepalen hoe histon deacetylase (HDAC) eiwitten bijdragen aan

• activering van FoxO en inductie van het spieratrofie programma.

Door het gebruik van verschillende farmacologische remmers om HDAC-activiteit te blokkeren, tonen we aan dat

• klasse I HDAC’s belangrijke regulatoren zijn van FoxO en het spieratrofieprogramma
• tijdens zowel nutriëntendeprivatie als het niet gebruiken van de skeletspier.

Daarnaast tonen wij aan, door het gebruik van wild-type en dominant-negatieve HDAC1 expressieplasmiden,

• dat HDAC1 voldoende is om FoxO te activeren en spiervezelatrofie in vivo te induceren en
• noodzakelijk is voor de atrofie van spiervezels die gepaard gaat met spiervermoeidheid.

Het vermogen van HDAC1 om spieratrofie te veroorzaken vereiste zijn deacetylase activiteit en

• werd in verband gebracht met de inductie van verscheidene atrofiegenen door HDAC1,
• waaronder atrogin-1, die deacetylatie van FoxO3a vereiste.

Meer, farmacologische remming van klasse I HDACs tijdens spierontwenning, met behulp van MS-275,

• verminderde zowel disuse spiervezel atrofie als contractiele disfunctie aanzienlijk.

Al deze gegevens samen bevestigen het belang van klasse I HDAC’s in het spieratrofieprogramma en

• geven aan dat klasse I HDAC-remmers haalbare tegenmaatregelen zijn om spieratrofie en -zwakte tegen te gaan.

Autofagie is een vesiculair proces voor de lysosomale afbraak van eiwitaggregaten en

• van beschadigde of overbodige organellen.

Autofagie speelt een belangrijke rol in de celhomeostase, en er zijn aanwijzingen dat

• dit proces ontregeld is in kankercellen.

Nieuwe preklinische in vitro-studies hebben aangetoond dat autofagie

• betrokken is bij de cytotoxische respons op chemotherapeutica in schildklierkankercellen.

Een aantal oncogenen en oncosuppressorgenen die betrokken zijn bij schildkliercarcinogenese

• spelen eveneens een rol bij de regulatie van autofagie.

Daarnaast hebben sommige epigenetische modulatoren die betrokken zijn bij schildkliercarcinogenese ook invloed op autofagie. In dit overzicht belichten we de genetische en epigenetische factoren die

• schildkliercarcinogenese en autofagie op mechanische wijze met elkaar in verband brengen, waarmee we de grondgedachte voor
• een op autofagie gerichte therapie van agressieve en radio-chemo-resistente schildklierkankers onderbouwen.