Когда с нейронами, в остальном здоровыми, случается что-то плохое, легко обвинить обычных подозреваемых – митохондрии. В некоторых случаях виновато ядро, например, при мутации de novo в критическом гене или в каком-либо другом процессе неконтролируемой ошибки в конвейере команд. В других случаях может происходить утечка в мозг токсинов, бактерий или даже чрезмерно усердных патриотических клеток хозяина. Но по большому счету именно митохондрии несут ответственность почти за все, что делает мозг, и поэтому именно они должны принимать это, когда он терпит неудачу. Чтобы лучше понять, как функционируют эти органеллы, исследователи обратились к специальным методам визуализации, которые позволяют им одновременно наблюдать несколько аспектов своего поведения.
В одном из самых показательных исследований такого рода на сегодняшний день исследователи из Германии смогли наблюдать крошечные сокращения, которые митохондрии претерпевают во время их сложных сдвигов через различные окислительно-восстановительные состояния и уровни деполяризации. В недавнем выпуске журнала Nature Medicine они связывают эти эффекты с pH и концентрацией кальция как в митохондриях, так и в окружающем аксоне, а также с большей импульсной активностью нейрона.
Под руководством Мартина Кершенштайнера и Томаса Мисгельда группа смогла объединить несколько новых агентов внутриклеточной визуализации и инструменты визуализации в рамках одной и той же экспериментальной установки. В частности, они трансгенно экспрессировали уникальный биосенсор окислительно-восстановительного потенциала глутатиона в митохондриях нейронов. Этот датчик носит довольно запутанное название глутаредоксин-1 (Grx1) – GFP2, чувствительный к восстановлению и окислению (roGFP2). Они смогли получить как высокое временное разрешение, так и субклеточное пространственное разрешение окислительно-восстановительного состояния этого биосенсора с использованием ратиометрического конфокального и двухфотонного изображений. Изменения кальция, pH и мембранного потенциала также одновременно наблюдались как у нормальных мышей, так и у мышей с ASL или спинным мозгом.
Исследователи стремились выйти за рамки отношений одной переменной и вместо этого сосредоточились на отношениях структура-функция, которые возникают при коллективном наблюдении. Другими словами, не просто изменение интенсивности, а изменение конфигурации. Здесь исследователи могли отслеживать не только изменения формы митохондрий, но и движения и, следовательно, расположение этих органелл. Исследователи не обнаружили, по крайней мере, в физиологических условиях, каких-либо серьезных связей окислительно-восстановительного потенциала глутатиона с расположением или движением органелл. Однако индивидуально они обнаружили спонтанные сокращения митохондрий. Эти обратимые сокращения усиливались при стимуляции нейронов, а также при остром или хроническом стрессе.
Используя многопараметрическую визуализацию, исследователи смогли составить более общий биохимический сценарий, который связывает сокращения с зависимой от дыхательной цепи деполяризацией мембранного потенциала. За этими событиями следуют энергетическое разобщение, а также ощелачивание матричного компартмента митохондрий. (Говоря языком биохимии, разобщение обычно относится к нормальному градиенту протонов в митохондриях, который либо разрушается, либо больше не связан с синтезом АТФ.Также было обнаружено, что когда аксоны подвергались стрессу, особенно при полной аксотомии, этим митохондриальным изменениям предшествовало повышение содержания кальция в аксонах. Это увеличение распространялось по аксону вдвое быстрее, чем связанное с ним окислительно-восстановительное изменение, и в конечном итоге вызывало резкое увеличение митохондриального кальция.
Частота митохондриальных сокращений, по крайней мере тех, которые достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать, составляла всего около 0.6 в час. Нельзя сказать, что сокращения продолжаются в том смысле, что потенциалы действия, возбуждаемые нейронами, продолжаются. Но с чем-то порядка 10 000 митохондрий на клетку может показаться, что это всегда может быть "время сокращения" где-то в камере. Предполагая, что митохондрии независимы друг от друга и от любого синхронизирующего влияния самого нейрона. Если наблюдается какое-то синхронизирующее влияние, уверенность в том, что импульс нейрона был бы хорошим кандидатом на это.
Другие исследователи также начинают осознавать важность этих проблем для клетки. В недавнем исследовании, проведенном в Университете Джорджии Риджентс, исследователи искали любые признаки одновременного поведения в нитчатых митохондриях гепатоцитов. Они смогли показать, что кратковременные сокращения митохондрий вызывают деполяризацию мембран посредством механизма, включающего динамический белок внутренней мембраны, известный как OPA1. Используя потенциометрический зонд, известный как TMRE, они обнаружили, что мерцание мембранного потенциала происходит раздельно, но не все митохондрии в клетке действуют вместе.
На данный момент трудно сопоставить эти более медленные сокращения, кальциевые искры и окислительно-восстановительные потенциалы с более быстрыми событиями, такими как всплески в нейроне. Как мы упоминали ранее, возможно, наиболее полезными генетически закодированными датчиками будут те, которые могут указывать на быстрые, но небольшие изменения температуры. Температура, которую можно даже измерить по ходу импульса нейрона, может стать той переменной, по которой сравниваются многие другие.