Virkningen av mitokondriell dysfunksjon på menneskelig bencellemetabolisme og ombygging

Intakt mitokondriell aktivitet inkludert tilstrekkelig energiforsyning er avgjørende for metabolsk aktivt vev, dvs. skjelettmuskulatur, hjerte og hjerne. Det menneskelige skjelettet representerer et ekstra svært metabolsk aktivt vev; Ikke desto mindre kan betydningen av mitokondriell rolle i menneskelig skjelettbeinhelse undersøkes ytterligere.

Benremodellering utgjør den koblede og kontinuerlige regenerative prosessen med bennedbrytning av benresorberende celler osteoklaster (OC) etterfulgt av dannelse av benmatrise av bendannende osteoblaster (OB). Kvantitativ ubalanse mellom resorpsjon og dannelse resulterer i skjelettlidelser med lav benmasse inkludert osteoporose, og dets økte risiko for skjørhetsfrakturer.

Mitokondrier genererer cellulær energi adenosintrifosfat (ATP) gjennom oksidativ fosforyleringsprosess (OXPHOS) i respirasjonskjeden (RC) med en sekundær produksjon av de skadelige biproduktene frie radikaler, dvs. reaktive oksygenarter (ROS). Spesielt har mitokondrier sitt eget DNA (m.DNA), og RC-underenheter er kodet av henholdsvis m.DNA og nukleært DNA (n.DNA) gener. Med aldring akkumuleres skadelige somatiske m.DNA-mutasjoner i skjelettmuskulatur og hjerte, og somatiske m.DNA-mutasjoner samt arvelige m.DNA- eller n.DNA-mutasjoner kan resultere i mitokondriell dysfunksjon med svekket ATP-produksjon og akkumulering av ROS. m.DNA-mutasjoner kan svekke hjerne-, skjelett- og hjertemuskelfunksjonen, men effekten på menneskelig bencellemetabolisme og ombygging er ukjent. En fersk studie av en gruppe unge individer indikerer at mitokondrielle sykdommer utgjør en risiko for benbrudd.

Prekliniske studier tyder på at ATP og ROS regulerer benmetabolismen. M.DNA-tallet og mitokondriell aktivitet øker for å støtte differensiering fra menneskelige skjelett (mesenkymale) stamceller (hMSC) til modne bendannende OB. Hemming av mitokondriell aktivitet eller økning i ROS-nivåer undertrykker OB-differensiering. Tilsvarende er OC rike på mitokondrier. Humane OC-kulturer viser at energiforsyninger for OC-differensiering fra deres forfedre er basert på OXPHOS mens OC-resorpsjonsaktivitet er avhengig av glykolyse.

I tillegg tyder nye bevis på at metabolsk plastisitet, dvs. regulering av glykolyse-, OXPHOS- og pyruvatnivåer, bidrar til regulering av OB- og OC-differensiering.

Reseptoraktivator av nukleær faktor kappa-Beta-ligand (RANKL) utskilt av OB-er aktiverer OC-resorpsjon. Hos mus øker RANKL-stimulering av benmargs-OC-progenitorer intracellulære nivåer av ROS, noe som stimulerer OC-differensiering og benresorpsjon in vitro. Videre hemmer ROS signalveien av vingeløs type (Wnt) med demping av osteoblastogenese og redusert beindannelse.

Videre akkumulerer mus med mutasjoner i det n.DNA-kodede prøvelesingsdomenet til m.DNA-polymerase POLG (PolgA-/-) m.DNA-mutasjoner, og har prematur aldringsfenotype inkludert lav benmasse. I tillegg forårsaker mangel på n.DNA-kodet mitokondriell transkripsjonsfaktor (TFAM) ATP-utarming, og mus med TFAM-mangelfulle OC har økt OC-aktivitet og økt benresorpsjon. Motsatt, globalt tap av NADH (nikotinamid-adenin dinukleotid) ubiquinon oxidoreductase Fe-S protein 4 (NDUFS4), en underenhet i RC kompleks 1, svekker benresorpsjon, og (ndufs4-/-) mus tilstede med økt benmineraltetthet (BMD) og en tilsynelatende osteopetrose-benfenotype.

Målet er å studere bencellefenotype hos pasienter med sjelden mitokondriell sykdom Bærere av MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Genet koder for transkripsjonsfaktoren tRNALeu(UUA/UUG) og m.3243A>G svekker montering av RC-kompleks med en sekundær svekket ATP-produksjon. Fenotypen er, delvis assosiert med m.3243A>G-mutasjonsbyrden, dvs. nivået av heteroplasmi (prosent av m.3243A>G/villtype m.DNA). Studiegruppen inkluderer også bærere av mutasjoner i den nukleærkodede POLG (MIM: 174763) og TWNK (MIM: 606075).

Hypotese: Nedsatt mitokondriell funksjon påvirker menneskelig bencelle-differensiering, -metabolisme og -aktivitet som fører til nedsatt bendannelse og benskjørhet.

Mål: Å finne ut om bærere av arvelige mitokondrielle mutasjoner, dvs. mitokondriell dysfunksjon, ATP-utarming og sekundær økning i ROS fører til endring i:

1. In vitro OB-differensieringshastighet, OB-aktivitet og bendannelse.
2. In vitro OC-differensiering-, OC-aktivitet og høyere total benresorpsjon.
3. In vivo endringer i vevsnivådynamikken for bendannelse og -resorpsjon som undersøkt i iliac crest benbiopsier.

Design, deltakere og metoder: Tverrsnitts case-control studie inkludert forsøkspersoner (>18 år) som bærer en av følgende mutasjoner:

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

N=10 tilfeller med hver patogen genetisk variant og like antall kontroller (n=30) matchet på kjønn, alder og BMI.