Virkningen af ​​mitokondriel dysfunktion på menneskelig knoglecellemetabolisme og ombygning

Intakt mitokondriel aktivitet inklusive tilstrækkelige energiforsyninger er afgørende for metaboliske aktive væv, dvs. skeletmuskulatur, hjerte og hjerne. Det menneskelige skelet repræsenterer et yderligere meget metabolisk aktivt væv; ikke desto mindre kan betydningen af ​​mitokondrernes rolle i menneskelig skeletknoglesundhed undersøges yderligere.

Knogleombygning udgør den koblede og kontinuerlige regenerative proces af knoglenedbrydning af knogleresorberende cellers osteoklaster (OC) efterfulgt af dannelse af knoglematrix af knogledannende osteoblaster (OB). Kvantitativ ubalance mellem resorption og dannelse resulterer i skeletlidelser med lav knoglemasse, herunder osteoporose, og dets øgede risiko for skrøbelighedsfrakturer.

Mitokondrier genererer cellulær energi adenosintriphosphat (ATP) gennem oxidativ phosphoryleringsproces (OXPHOS) i den respiratoriske kæde (RC) med en sekundær produktion af de skadelige biprodukter frie radikaler, dvs. reaktive oxygenarter (ROS). Navnlig har mitokondrier deres eget DNA (m.DNA), og RC-underenheder kodes af henholdsvis m.DNA og nuklear DNA (n.DNA) gener. Med aldring ophobes skadelige somatiske m.DNA-mutationer i skeletmuskulatur og hjerte, og somatiske m.DNA-mutationer samt nedarvede m.DNA- eller n.DNA-mutationer kan resultere i mitokondriel dysfunktion med nedsat ATP-produktion og akkumulering af ROS. m.DNA-mutationer kan svække hjerne-, skelet- og hjertemuskelfunktionen, men virkningerne på menneskelig knoglecellemetabolisme og ombygning er ukendt. En nylig undersøgelse af en kohorte af unge individer indikerer, at mitokondriesygdomme udgør en risiko for knogleskørhed.

Prækliniske undersøgelser tyder på, at ATP og ROS regulerer knoglemetabolismen. M.DNA-tallet og mitokondriel aktivitet øges for at understøtte differentiering fra humane skelet (mesenkymale) stamceller (hMSC) til modne knogledannende OB'er. Hæmning af mitokondriel aktivitet eller stigning i ROS-niveauer undertrykker OB-differentiering. På samme måde er OC'er rige på mitokondrier. Humane OC-kulturer viser, at energiforsyninger til OC-differentiering fra deres forfædre er baseret på OXPHOS, mens OC-resorptionsaktivitet er afhængig af glykolyse.

Derudover tyder nye beviser på, at metabolisk plasticitet, dvs. regulering af glykolyse-, OXPHOS- og pyruvatniveauer, bidrager til regulering af OB- og OC-differentiering.

Receptoraktivator af nuklear faktor kappa-Beta-ligand (RANKL) udskilt af OB'er aktiverer OC-resorption. Hos mus øger RANKL-stimulering af knoglemarvs-OC-progenitorer intracellulære niveauer af ROS, hvilket stimulerer OC-differentiering og knogleresorption in vitro. Yderligere hæmmer ROS signalvejen af ​​vingeløs type (Wnt) med svækkelse af osteoblastogenese og nedsat knogledannelse.

Desuden akkumulerer mus med mutationer i det n.DNA-kodede korrekturlæsningsdomæne af m.DNA-polymerase POLG (PolgA-/-) m.DNA-mutationer og præsenterer med for tidlig ældningsfænotype, herunder lav knoglemasse. Derudover forårsager mangel på den n.DNA-kodede mitokondrielle transkriptionsfaktor (TFAM) ATP-depletering, og mus med TFAM-mangelfulde OC'er har øget OC-aktivitet og øget knogleresorption. Modsat hæmmer globalt tab af NADH (nicotinamid-adenin dinukleotid) ubiquinonoxidoreduktase Fe-S protein 4 (NDUFS4), en underenhed i RC kompleks 1, knogleresorption, og (ndufs4-/-) mus til stede med øget knoglemineraltæthed (BMD) og en tilsyneladende osteopetrose-knoglefænotype.

Målet er at studere knoglecellefænotype hos patienter med sjælden mitokondriel sygdom Bærere af MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Genet koder for transkriptionsfaktoren tRNALeu(UUA/UUG) og m.3243A>G svækker samling af RC-kompleks med en sekundært svækket ATP-produktion. Fænotypen er til dels forbundet med m.3243A>G mutationsbyrden, dvs. niveauet af heteroplasmi (procentdel af m.3243A>G/vildtype m.DNA). Studiegruppen omfatter også bærere af mutationer i den nuklear-kodede POLG (MIM: 174763) og TWNK (MIM: 606075).

Hypotese: Nedsat mitokondriefunktion påvirker menneskelige knoglecelledifferentiering, -metabolisme og -aktivitet, hvilket fører til nedsat knogledannelse og knogleskørhed.

Formål: At bestemme, om bærere af nedarvede mitokondrielle mutationer, dvs. mitokondriel dysfunktion, ATP-depletering og sekundær stigning i ROS fører til ændring i:

1. In vitro OB-differentieringshastighed, OB-aktivitet og knogledannelse.
2. In vitro OC differentiering, OC aktivitet og højere samlet knogleresorption.
3. In vivo ændringer i vævsniveauets dynamik af knogledannelse og -resorption som undersøgt i hoftekammens knoglebiopsier.

Design, deltagere og metoder: Tværsnits-case-kontrolundersøgelse, herunder forsøgspersoner (>18 år), der bærer en af ​​følgende mutationer:

1. MT-TL1 m.3243A>G
2. POLG mutation
3. TWNK

N=10 tilfælde med hver patogen genetisk variant og lige antal kontroller (n=30) matchet på køn, alder og BMI.