TCA 주기를 표적으로 삼으면 신경염증성 병변의 광범위한 축삭 에너지 결핍을 개선할 수 있습니다.

Nature Metabolism 5권, 페이지 1364–1381(2023)이 기사 인용

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중추신경계의 염증은 뉴런 미토콘드리아의 기능을 손상시킬 수 있으며 일반적인 신경염증성 질환인 다발성 경화증(MS)에서 축삭 변성에 기여합니다. 여기서 우리는 세포 유형별 미토콘드리아 단백질체학과 생체 내 바이오센서 이미징을 결합하여 염증이 신경 미토콘드리아의 분자 구성과 기능적 능력을 어떻게 변화시키는지 분석합니다. 우리는 마우스 척수의 신경 염증성 병변이 미토콘드리아 산화 및 칼슘 과부하에 앞서 광범위하고 지속적인 축삭 ATP 결핍을 유발한다는 것을 보여줍니다. 이러한 축삭 에너지 결핍은 전자 전달 사슬 기능의 손상뿐만 아니라 트리카르복실산(TCA) 주기 효소의 상류 불균형과 관련이 있으며, 주요 속도 제한을 포함한 여러 가지 효소가 실험 모델 및 MS 병변의 신경 미토콘드리아에서 고갈됩니다. 특히, 개별 TCA 효소의 바이러스 과발현은 신경염증성 병변의 축삭 에너지 결핍을 개선할 수 있으며, 이는 MS의 TCA 주기 기능 장애가 치료로 수정될 수 있음을 시사합니다.

MS는 중추신경계(CNS) 염증으로 인해 미엘린 손실과 진행성 신경변성이 발생하는 일반적인 신경 질환입니다. MS 환자의 장기적인 장애에 대한 신경변성 과정의 중요성은 잘 알려져 있지만1,2,3 CNS 염증과 신경변성 사이의 기계적 연관성은 아직 해결되지 않은 상태입니다. MS 환자와 해당 동물 모델에서 나온 새로운 증거는 신경 미토콘드리아가 염증 신호를 신경 퇴행성 결과로 전환하는 중요한 허브가 될 수 있음을 나타냅니다. 이 개념은 신경 에너지 항상성4에서 미토콘드리아의 필수 기능에 의해 뒷받침될 뿐만 아니라 (1) 손상된 미토콘드리아가 실험 및 인간 신경염증 병변5,6,7에 위치한 축삭에 축적된다는 것을 보여주는 이전 연구에 의해 뒷받침됩니다. (2) 신경 미토콘드리아는 질병이 진행되는 동안 DNA 결실을 획득합니다8; (3) 이러한 염증 유발 미토콘드리아 손상은 전자 전달 사슬(ETC) 기능을 손상시킵니다2,9.

따라서 미토콘드리아 손상은 초기 MS의 염증이 심한 병변에서 이미 시작되어 질병이 진행되는 동안 더욱 증폭될 수 있습니다. 이 과정은 염증과 신경변성 사이뿐만 아니라 초기 재발-완화와 이후 진행성 병리 사이의 연결을 제공할 것입니다2,9. 이러한 통찰력의 결과로 미토콘드리아는 MS의 질병 과정 전반에 걸쳐 신경 퇴행을 예방할 수 있는 유망한 치료 표적으로 나타났습니다. 불행하게도 지금까지 그러한 전략은 적어도 대규모 임상 시험에서 강력한 임상 이점을 제공하지 못했습니다10. 이 실패의 근본적인 이유 중 하나는 신경염증성 병변에서 미토콘드리아의 분자 기계 및 기능적 능력이 어떻게 손상되는지에 대한 우리의 이해가 아직 불완전하다는 것입니다. 더욱이, 지금까지 대부분의 연구는 ETC 손상8,11에 초점을 맞추었는데, 이는 기본 거대분자 복합체의 복잡한 구조와 그 유전학을 고려할 때 치료적으로 표적화하기 어려울 수 있습니다.

여기서 우리는 염증 유발 미토콘드리아 병리의 분자 토대 및 기능적 결과를 조사하기 위해 쥐 MS 모델(실험적 자가면역 뇌척수염, EAE)에서 신경 미토콘드리아의 선택적 생체 외 단백질체학 분석과 결합된 새로운 생체 내 이미징 전략을 적용합니다. 우리는 광범위한 축삭 ATP 결핍이 급성 신경 염증성 병변에서 시작되고 만성 질환 단계에서 지속된다는 것을 밝힙니다. 이러한 생체에너지 결핍은 미토콘드리아 산화환원 또는 칼슘 항상성 장애보다 먼저 발생합니다. 급성 및 만성 EAE 척수에서 분리된 신경 미토콘드리아의 선택적 MitoTag 기반 단백질체학 분석에서는 중요한 TCA 주기 효소의 불균형이 밝혀졌으며, 이소시트레이트 탈수소효소 3(Idh3) 및 말산염 탈수소효소 2(Mdh2)를 포함한 여러 효소의 현저한 손실이 나타났습니다. 특히, 신경 미토콘드리아에서 이러한 주요 TCA 회로 효소의 고갈은 인간 MS 병변에서도 명백하게 나타납니다. 마지막으로, 우리는 Idh3 또는 Mdh2의 촉매 소단위를 과발현하는 바이러스 유전자 치료가 신경염증성 병변에서 축삭 ATP 결핍을 부분적으로 역전시킬 수 있음을 보여줍니다. 따라서 우리의 연구는 신경 염증에 반응하여 신경 미토콘드리아의 분자 구성이 어떻게 변하는지에 대한 세련된 이해를 제공합니다. 우리는 신경염증성 병변에서 발생하는 축삭 에너지 위기의 중요한 중재자로서 TCA 회로 효소의 고갈을 식별하여 치료 개입의 잠재적인 목표를 정의합니다.

control mean + 3 × s.d. (orange line) in each axon stage. f, Experimental design to measure mitochondrial Ca2+ levels ([Ca2+]mito) in EAE. g, Maximum intensity projections of in vivo multi-photon images of spinal cord axons of control (top) and acute EAE (bottom) in Thy1-mitoTwitch2b × Thy1-OFP mice. OFP channel shown with grayscale LUT (left). Ratiometric LUT of [Ca2+]mito (yellow fluorescent protein (YFP) to cyan fluorescent protein (CFP) emission ratio) (right). h, Details from g. Mitochondria morphologies and Ca2+mito represented as in c; grayscale LUT of OFP channel above ratiometric Ca2+mito images (top to bottom). i, Average Ca2+mito of single axons in control and acute EAE mice normalized to mean of controls (mean ± s.e.m.; 138 axons from nine control mice and 192 axons from 11 EAE mice compared by one-way ANOVA and Tukey’s multiple comparison test). j, Single-organelle correlation analysis of mitochondrial shape factor (length:width ratio) and [Ca2+]mito of axons plotted in i. Percentages indicate fraction of mitochondria with [Ca2+]mito > control mean + 3 × s.d. (orange line) in each axon stage. Arrow heads indicate axons with different FAD stages. Scale bars, 25 μm (b,g) and 10 μm (c,h). ****P < 0.001. See source data for individual data points and further statistical parameters. Illustration created with BioRender./p>50% of the samples within one experimental group) were imputed by multiple imputations by chained equations (MICE, R package ‘mice’). LFQ values were log2-transformed. For subsequent analysis, LFQ values were treated as interval scale values. To test the similarity of samples within the respective experimental group and to identify outliers, principal-component analysis was performed. Subsequently, outliers were removed from further analyses. The first two principal components with their explained variance of each sample were visualized. To test whether a protein was differentially expressed between the EAE and control group, we calculated a Student’s t-test and a fold change of the LFQ values between the experimental groups. To control type I error inflation, P values were corrected according to Bonferroni./p>

90%; QSM > 100%, with 75% being the standard cutoff). To evaluate energetic capacities, the model calculates the changes of metabolic state due to increasing the rate of ATP consumption above the resting value, with the ATP consumption rate being modeled by a generic hyperbolic rate law of the form vATP = kload × (ATP / ATP + Km). To model increased ‘metabolic load’, the parameter kload was increased in steps until convergence of the ATP production rate to its maximal value./p>

150 mitochondria from 8 axons, three mice). Percentages indicate the fraction of axons with [Ca2+]mito > mean + 3 SD of values pre-lesion (orange line). Scale bars: 1000 μm in d, left; 500 μm in d, right; 20 μm in e; 10 μm in inset. See source data for individual data points and further statistical parameters. Illustration created with BioRender./p>

0.9999, EAE + CCCP versus stage 0, 1 and 2, respectively. (e) [pH]axon of single axons measured by using SypHer3s sensor in control and acute EAE mice normalized to mean of controls. Mean ± s.e.m.; n = 34 axons from two control and 34 axons from two EAE mice, compared Kruskal-Wallis and Dunn’s multiple comparison test, p > 0.9999, control versus stage 0, 1 and 2, respectively. Scale bars: 25 μm in b; 10 μm in c. **, p < 0.01; ****, p < 0.001. See source data for individual data points and further statistical parameters. Illustration created with BioRender./p>