Salk-instituutin tutkijat ovat selvittäneet mitokondrioiden pirstoutumisen ja uudelleen kokoamisen taustalla olevia molekyylimekanismeja, jotka ovat solumekanismi, joka ylläpitää terveitä energiatasoja ja suojaa soluja loukkauksilta. Löydöksillä voi olla vaikutuksia häiriöihin, kuten mitokondriotautiin, diabetekseen, syöpään ja hermoston rappeutumissairauksiin, jotka liittyvät mitokondrioiden toimintahäiriöihin.
Kun mitokondriot vahingoittuvat ympäristöstressin, myrkkyjen tai geneettisten mutaatioiden muodossa, solu purkaa mitokondriot osiinsa, poistaa vahingoittuneet palaset ja kokoaa mitokondriot uudelleen. Tämä prosessi tapahtuu pienellä nopeudella myös normaalioloissa, ja yksi tai kaksi solun 100-500 mitokondriosta pirstoutuu ja kootaan uudelleen joka hetki korvatakseen vahingoittuneet osat. Kun soluihin kohdistuu stressiä, kuten altistuminen myrkylle, tapahtuu massapirstoutumista.
Tutkijat ovat jo pitkään tienneet tästä merkittävästä prosessista, joka mahdollistaa vaurioituneiden solujen tietynasteisen korjaamisen. Mutta he eivät ymmärtäneet, miten mitokondriovaurio aistitaan tai mekanismeja, jotka saavat aikaan massapirstoutumistapahtuman.
Tohtori Reuben Shaw’n johtama työryhmä havaitsi, että kun solut altistuvat mitokondriovaurioille, entsyymi AMPK lähettää signaalin, joka käskee mitokondrioita hajoamaan.
AMPK:ta, jota voidaan pitää solujen polttoainemittarina, aktivoi diabeteslääke metformiini. Liikunnan ja rajoitetun ruokavalion tiedetään myös aktivoivan entsyymiä, mikä viittaa siihen, että nämä hoitomuodot toimivat ainakin osittain edistämällä mitokondrioiden terveyttä.
Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että AMPK auttaa kierrättämään vaurioituneita mitokondrioiden palasia ja antaa solulle signaalin siitä, milloin solun on muodostettava uusia mitokondrioita.
Käyttämällä geeninmuokkaustekniikkaa CRISPR:ää, jolla poistettiin AMPK:aa koodaava geeni, työryhmä selvitti AMPK:aa koodaava geeni, ja tutki tämän geeni biologista merkitystä. Kun he altistivat soluja myrkyille tai muunlaiselle stressille, mitokondriot eivät pirstoutuneet, mikä osoittaa, että AMPK indusoi pirstoutumisen suoraan.
Tutkijat kytkivät sitten AMPK-signaalin takaisin päälle, ja yllätyksekseen he havaitsivat, että AMPK-signaalin antaminen riitti saamaan mitokondriot pirstoutumaan, vaikka ei olisi ollut olemassa aiempaa vahinkoa.
”En voinut uskoa, kuinka mustavalkoisia tulokset olivat. Pelkästään AMPK:n käynnistäminen itsessään aiheuttaa yhtä paljon pirstoutumista kuin mitokondriomyrkky”, tohtori Shaw sanoi lehdistötiedotteessa.
Salkin tutkimusryhmä havaitsi, että kun mitokondriot häiriintyvät, solun ympärillä leijuvien energiapakettien (nimeltään ATP) määrä vähenee. AMPK havaitsee nopeasti tämän soluenergian vähenemisen ja aktivoi mitokondrion ulkokalvolla olevan reseptorin, joka käskee sitä pirstoutumaan.
Tiimi havaitsi lisäksi, että AMPK käynnistää prosessin vaikuttamalla mitokondrion reseptorin kahteen alueeseen, joita kutsutaan mitokondrioiden pilkkoutumistekijäksi (MFF). MFF kutsuu esiin proteiinin – Drp1:n – joka sitoutuu mitokondrioon ja kietoutuu sen ympärille hajottaakseen sen.
Tutkijat ovat nyt kiinnostuneita tutkimaan muita seurauksia, joita tällä signalointireitillä voi olla. ”Toisaalta AMPK:n tiedetään olevan tärkeä tyypin 2 diabeteksen, immuunisairauksien ja syövän kannalta. Toisaalta mitokondrioiden toimintahäiriöt ovat yhä enenevässä määrin yhteydessä aineenvaihduntasairauksiin ja neurodegeneratiivisiin sairauksiin. Olemme ottamassa ensimmäisiä askeleita näiden kahden asian yhdistämisessä, joilla on merkittäviä sairausvaikutuksia”, totesi tutkimuksen toinen pääkirjoittaja, tohtori Erin Quan Toyama.
Tutkimus, jonka nimi on ”AMP-activated protein kinase mediates mitochondrial fission in response to energy stress”, julkaistiin Science-lehdessä 15.1.2016.