De impact van mitochondriale disfunctie op het metabolisme en de remodellering van menselijke botcellen

Intacte mitochondriale activiteit, inclusief voldoende energievoorziening, is van vitaal belang voor metabolisch actieve weefsels, d.w.z. skeletspieren, hart en hersenen. Het menselijk skelet vertegenwoordigt een extra sterk metabolisch actief weefsel; desalniettemin kan de betekenis van de mitochondriale rol in de botgezondheid van de mens verder worden onderzocht.

Botremodellering vormt het gekoppelde en continue regeneratieve proces van botafbraak door botresorberende cellen osteoclasten (OC), gevolgd door de vorming van botmatrix door botvormende osteoblasten (OB). Kwantitatieve onevenwichtigheid tussen resorptie en vorming resulteert in skeletaandoeningen met een lage botmassa, waaronder osteoporose, en het verhoogde risico op fragiliteitsfracturen.

Mitochondriën genereren cellulaire energie adenosinetrifosfaat (ATP) door oxidatief fosforyleringsproces (OXPHOS) in de ademhalingsketen (RC) met een secundaire productie van de schadelijke bijproducten vrije radicalen, d.w.z. reactieve zuurstofspecies (ROS). Met name houden mitochondriën hun eigen DNA (m.DNA) vast en worden RC-subeenheden gecodeerd door respectievelijk m.DNA en nucleair DNA (n.DNA). Met het ouder worden stapelen schadelijke somatische m.DNA-mutaties zich op in de skeletspieren en het hart, en zowel somatische m.DNA-mutaties als overgeërfde m.DNA- of n.DNA-mutaties kunnen leiden tot mitochondriale disfunctie met verminderde ATP-productie en accumulatie van ROS. m.DNA-mutaties kunnen de hersen-, skelet- en hartspierfunctie aantasten, maar de effecten op het metabolisme en de hermodellering van menselijke botcellen zijn onbekend. Een recente studie van een cohort van jonge individuen geeft aan dat mitochondriale ziekten een risico vormen voor botbreuken.

Preklinische studies suggereren dat ATP en ROS het botmetabolisme reguleren. Het m.DNA-nummer en de mitochondriale activiteit nemen toe om de differentiatie van menselijke skeletstamcellen (mesenchymale) stamcellen (hMSC) tot rijpe botvormende OB's te ondersteunen. Remming van mitochondriale activiteit of toename van ROS-niveaus onderdrukken OB-differentiatie. Evenzo zijn OC's rijk aan mitochondriën. Menselijke OC-culturen tonen aan dat energievoorziening voor OC-differentiatie van hun voorlopers gebaseerd is op OXPHOS, terwijl OC-resorptieactiviteit afhankelijk is van glycolyse.

Bovendien suggereert nieuw bewijs dat metabole plasticiteit, dwz regulatie van glycolyse, OXPHOS en pyruvaatniveaus, bijdraagt ​​aan regulatie van OB- en OC-differentiatie.

Receptoractivator van nucleaire factor kappa-Beta-ligand (RANKL) uitgescheiden door OB's activeert OC-resorptie. Bij muizen verhoogt RANKL-stimulatie van beenmerg-OC-voorlopers de intracellulaire niveaus van ROS, wat OC-differentiatie en botresorptie in vitro stimuleert. Verder remt ROS de signaleringsroute van het vleugelloze type (Wnt) met verzwakking van osteoblastogenese en verminderde botvorming.

Bovendien accumuleren muizen met mutaties in het n.DNA-gecodeerde proof-reading-domein van m.DNA-polymerase POLG (PolgA-/-) m.DNA-mutaties, en presenteren ze zich met voortijdig verouderingsfenotype inclusief lage botmassa. Bovendien veroorzaakt een tekort aan de n.DNA-gecodeerde mitochondriale transcriptiefactor (TFAM) ATP-depletie, en muizen met TFAM-deficiënte OC's hebben verhoogde OC-activiteit en verhoogde botresorptie. Tegenovergesteld, globaal verlies van NADH (nicotinamide-adenine dinucleotide) ubiquinone oxidoreductase Fe-S proteïne 4 (NDUFS4) een subeenheid in RC-complex 1 schaadt botresorptie, en (ndufs4-/-) muizen presenteren zich met verhoogde botmineraaldichtheid (BMD) en een schijnbaar osteopetrose botfenotype.

Het doel is om het fenotype van botcellen te bestuderen bij patiënten met zeldzame mitochondriale ziekte Dragers van MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Het gen codeert voor de transcriptiefactor tRNALeu(UUA/UUG) en m.3243A>G verzwakt de assemblage van RC-complex met een secundaire gestoorde ATP-productie. Het fenotype is gedeeltelijk geassocieerd met de m.3243A>G-mutatielast, d.w.z. niveau van heteroplasmie (percentage van m.3243A>G/wildtype m.DNA). De onderzoeksgroep omvat ook dragers van mutaties in de nucleair gecodeerde POLG (MIM: 174763) en TWNK (MIM: 606075).

Hypothese: Een verminderde mitochondriale functie beïnvloedt de differentiatie, het metabolisme en de activiteit van menselijke botcellen, wat leidt tot verminderde botvorming en botfragiliteit.

Doel: Bepalen of dragers van overgeërfde mitochondriale mutaties, d.w.z. mitochondriale disfunctie, ATP-depletie en secundaire toename van ROS, leiden tot verandering in:

1. In-vitro OB-differentiatiesnelheid, OB-activiteit en botvorming.
2. In-vitro OC-differentiatie, OC-activiteit en hogere algehele botresorptie.
3. In-vivo veranderingen in weefselniveau dynamiek van botvorming en -resorptie zoals onderzocht in iliacale botbiopten.

Ontwerp, deelnemers en methoden: cross-sectionele case-control studie met proefpersonen (>18 jaar) die een van de volgende mutaties dragen:

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

N=10 gevallen met elke pathogene genetische variant en gelijk aantal controles (n=30) gematcht op geslacht, leeftijd en BMI.