СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВОЗРАСТОМ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО АППАРАТА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ВИДОВ С РАЗЛИЧНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬЮ ЖИЗНИ
PDF

Ключевые слова

скелетная мышца
старение
митохондрии
электронная микроскопия

Как цитировать

Вайс, В. Б., Вангели, И. М., Эльдаров , Ч. М., & Бакеева, Л. Е. (2021). СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВОЗРАСТОМ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО АППАРАТА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ВИДОВ С РАЗЛИЧНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬЮ ЖИЗНИ. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 107(6-7), 876–894. https://doi.org/10.31857/S0869813921060133

Аннотация

Методами электронной микроскопии и морфометрии проведен сравнительный анализ возрастных изменений ультраструктуры митохондриального аппарата скелетной мышцы у представителей видов с различной программой старения: короткоживущих, хорошо изученных классических видов - мыши (С57BL\6), крысы Вистар; преждевременно стареющих крыс OXYS; а также животных с замедленным старением - голый землекоп (Heterocephalus glaber). Показано, что у мышей обусловленные возрастом преобразования общей организации митохондриального аппарата скелетной мышцы соответствуют изученным ранее для крыс Вистар: митохондриальный ретикулум формируется к 2,5-3-месячному возрасту, к 30-месячному возрасту происходит значительная редукция митохондриального аппарата, в результате снижения числа митохондрий количество сечений митохондрий в мышечном волокне снижается почти в 2 раза – с 0,45 ± 0,07 шт на мкм2 до 0,23 ± 0,02 шт на мкм2. Деструктивные изменения ультраструктуры митохондрий не обнаружены, в отличие от крыс OXYS, у которых возрастные изменения хондриома затрагивают как общую структуру митохондриального аппарата мышечных волокон, так и внутреннюю ультраструктуру органелл. В то же время у схожего с мышами по размеру мелкого грызуна Heterocephalus glaber к пятилетнему возрасту количество и размер митохондрий в скелетной мышце значительно возрастает, однако митохондриальный ретикулум не формируется.

Предполагается, что особая организация митохондриального аппарата скелетной мышцы голого землекопа обеспечивает необходимый уровень окислительно-восстановительных процессов в мышцах, предупреждая снижение работоспособности и развития саркопении, в отличие от мышей, крыс Вистар и OXYS, где обусловленные возрастом нарушения структурной организации митохондриального аппарата скелетной мышцы могут являться одной из основных причин развития возраст-зависимых патологий и, в частности, саркопении.

https://doi.org/10.31857/S0869813921060133
PDF

Литература

Baumann CW, Kwak D, Liu HM, Thompson VL (2016) Age-induced oxidative stress: How does it influence skeletal muscle quantity and quality? J Appl Physiol 121:1047-1052. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00321.2016

Brunk UT, Terman A (2002) The mitochondrial-lysosomal axis theory of aging: accumulation of damaged mitochondria as a result of imperfect autophagocytosis. Eur J Biochem 269:1996–2002. https://doi.org/10.1046/j. 1432-1033. 2002. 02869. x

Derbré F, Gratas-Delamarche A, Gómez-Cabrera MC, Viña J (2014) Inactivity-induced oxidative stress: A central role in age-related sarcopenia? Eur J Sport Sci 14:98–108. https://doi.org/10.1080/17461391.2011.654268

Gamboa JL, Billings FT, Bojanowski MT, Gilliam LA, Yu C, Roshanravan B, Roberts LJ, Himmelfarb J, Ikizler TA, Brown NJ (2016) Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in patients with chronic kidney disease. Physiol Rep 4(9):e12780. https://doi.org/10.14814/phy2.12780

Santos LS, Baraibar MA, Lundberg S, Eeg-Olofsson O, Larsson L, Friguet B (2015) Oxidative proteome alterations during skeletal muscle ageing. Redox Biol 5:267–274. https://doi.org/10.1016/j.redox.2015.05.006

Moulin M, Ferreiro A (2017) Muscle redox disturbances and oxidative stress as pathomechanisms and therapeutic targets in early-onset myopathies. Semin Cell Dev Biol 64:213-223. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2016.08.003

Rygiel KA, Picard M, Turnbull DM (2016) The ageing neuromuscular system and sarcopenia: a mitochondrial perspective. J Physiol 594:4499–4512.https://doi.org/10.1113/JP271212

Dai DF, Chiao YA, Marcinek DJ, Szeto HH, Rabinovitch PS (2014) Mitochondrial oxidative stress in aging and healthspan. Longev Heal 3:6.https://doi.org/10.1186/2046-2395-3-6

Johnson ML, Robinson MM, Nair KS (2013) Skeletal muscle aging and the mitochondrion. Trends Endocrinol Metab 24:247–256. https://doi.org/10.1016/j.tem.2012.12.003

Sacktor B, Shimada Y (1972) Degenerative changes in the mitochondria of flight muscle from aging blowflies. J Cell Biol 52:465-477.https://doi.org/10.1083/jcb.52.2.465

Бакеева ЛЕ, Сапрунова ВБ, Пасюкова ЕГ, Рощина НВ (2007) Митоптоз в летательной мышце Drosophila melanogaster. Докл Акад наук. 413:1-3 [Bakeeva LE, Saprunova VB, Pasyukova EG, Roshina NV (2007) Mitoptosis in the flight muscle of Drosophila melanogaster. Acad Sci Rep 413:1-3 (In Russ)]. https://doi.org/10.1134/S0012496607020111

Williams CM, Barness LA, Sawyer WH (1943) The utilization of glycogen by flies during flight and some aspects of the physiological ageing of Drosophila. Biol Bull (Woods Hole) 84:263-268. https://doi.org/10.2307/1538009

Walker DW, Benzer S (2004) Mitochondrial “swirls” induced by oxygen stress and in the Drosophila mutant hyperswirl. Proc Natl Acad Sci USA 101:10290– 10295. https://doi.org/10.1073/pnas.0403767101

Anisimov VN, Bakeeva LE, Egormin PA, Filenko OF, Isakova EF, Manskikh VN, Mikhelson VM, Panteleeva AA, Pilipenko DI, Piskunova TS, Popovich IG, Saprunova VB, Samoylova TA, Semenchenko AV, Skulachev MV, Tyndyk ML, Vyssokikh MY, Yurova MN, Zabezhinsky MA, Skulachev VP (2008) Mitochondria- targeted plastoquinone derivatives as tools to interrupt execution of the aging program. 5. SkQ1 prolongs lifespan and prevents development of traits of senescence. Biochemistry (Moscow) 73:1329-1342. https://doi.org/10.1134/s0006297908120055

Beregi E, Regius O, Huttl T, Gobl Z (1988) Age-related changes in the skeletal muscle cells. Z Gerontol 21:83-86. PMID: 2968024

Бакарев МА, Непомнящих ЛМ (2004) Структурные проявления нарушений митохондриальной функции в скелетных мышцах у преждевременно стареющих крыс OXYS. Бюлл эксп биол и мед 138:674-679. [Bakarev MA, Nepomnyashchikh LM (2004) Structural manifestations of mitochondrial dysfunction in skeletal muscles in premature aging OXYS rats. Bull Exp Biol Med 138:674-679 (In Russ)].

Corsetti G, Pasini E, D’Antona G, Nisoli E, Flati V, Assanelli D, Dioguardi FS, Bianchi R (2008) Morphometric changes induced by amino acid supplementation in skeletal and cardiac muscles of old mice. Am J Cardiol 101:26E-34E. https://doi.org/10.1016/j. amjcard. 2008. 02. 078

Crane JD, Devries C, Safdar A, Hamadeh MJ, Tarnopolsky MA (2010) The effect of aging on human skeletal muscle mitochondrial and intramyocellular lipid ultrastructure. J Gerontol 65:119-128. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a029785

Orlander J, Kiessling K, Larsson L, Karlsson J, Aniansson A (1978) Skeletal muscle metabolism and ultrastructure in relation to age in sedentary men. Acta Physiol Scand 104:249-261. https://doi.org/10.1111/j.1748-1716.1978.tb06277.x

Palade GE (1956) Electron microscopy of mitochondria and other cytoplasmic structures. In: Enzymes: Units of Biological Structure and Function. Acad Press New York 185-215.

Gauthier GF, Padykula HA (1966) Cytological studies of fiber types in skeletal muscle. A comparative study of the mammalian diaphragm. J Cell Biol 28:333-354. https://doi.org/10.1083/jcb.28.2.333

Bubenzer HJ (1966) Die dunnen und die dicken Muskelfasern des Zwerchfells der Ratte. Z Zellforsch 69:520-550. https://doi.org/10.1007/BF00406300

Bakeeva LE, Skulachev VP, Chentsov YS (1978) Mitochondrial framework (reticulum mitochondriale) in rat diaphragm muscle. Biochim Biophys Acta 501:349-369.https://doi.org/10.1016/0005-2728(78)90104-4

Bakeeva LE, Chentsov YS, Skulachev VP (1981) Ontogenesis of mitochondrial reticulum in rat diaphragm muscle. Eur J Cell Biol 25:175-181.

Kirkwood SP, Munn EA, Brooks GA (1986) Mitochondrial reticulum in limb skeletal muscle. Am J Physiol 251:395-402. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1986.251.3.C395

Glancy B, Hartnell LM, Malide D, Yu ZX, Combs CA, Connelly PS, Subramaniam S, Balaban RS (2015) Mitochondrial reticulum for cellular energy distribution in muscle. Nature 523:617-620. https://doi.org/10.1038/nature14614

Pellegrini G, Barbieri S, Moggio M, Cheldi A, Scarlato G, Minetti C (1985) A case of congenital neuromuscular disease with uniform type I fibers, abnormal mitochondrial network and jagged Z-line. Neuropediatrics 16:162-166. https://doi.org/10.1055/s-2008-1059533

Leduc-Gaudet JP, Picard M, Pelletier FSt-J, Sgarioto N, Auger MJ, Vallée J, Robitaille R, St-Pierre DH, Gouspillou G (2015) Mitochondrial morphology is altered in atrophied skeletal muscle of aged mice. Oncotarget 6:17923-17937. https://doi.org/10.18632/oncotarget.4235

Buffenstein R. (2008) Negligible senescence in the longest living rodent, the naked mole-rat: insights from a successfully aging species. Compar Physiol B № 178:439–445. https://doi.org/10.1007/s00360-007-0237-5

Orr ME, Garbarino VR, Salinas A, Buffenstein R (2015) Sustained high levels of neuroprotective, high molecular weight, phosphorylated tau in the longest-lived rodent. Neurobiol Aging 36:1496–1504. https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2014.12.004

Larson J, Park TJ (2009) Extreme hypoxia tolerance of naked mole-rat brain. Neuroreport 20:1634–1637. https://doi.org/10.1097/WNR.0b013e32833370cf

Maina JN, Gebreegziabher Y, Woodley R, Buffenstein R (2001) Effects of change in environmental temperature and natural shifts in carbon dioxide and oxygen concentrations on the lungs of captive naked mole-rats (Heterocephalus glaber): a morphological and morphometric study. J Zool 253:371 – 382. https://doi.org/10.1017/S0952836901000346

Park TJ, Lu Y, Jüttner R, Smith EJ, Hu J, Brand A, Wetzel C, Milenkovic N, Erdmann B, Heppenstall PA, Laurito CE, Wilson SP, Lewin GR (2008) Selective Inflammatory Pain Insensitivity in the African Naked Mole-Rat (Heterocephalus glaber). PLoS Biol January 6:13. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060013

Eldarov CM, Vangely IM, Kolosova NG, Bakeeva LE, Skulachev VP (2014) Antioxidant SkQ1 delays sarcopenia- associated damage of mitochondrial ultrastructure. Aging 6:140-148. https://doi.org/10.18632 / aging. 100636

Bakeeva LE (2015) Age-Related Changes in Ultrastructure of Mitochondria. Effect of SkQ1. Biochemistry 80:1582-8. https://doi.org/10.1134/S0006297915120068

Marzetti E, Hwang JC, Lees HA, Wolhgemuth SE, Dupont-Versteegden EE, Carter CS, Bernabei R, Leeuwenburgh C. (2010) Mitochondrial death effectors: relevance to sarcopenia and disuse muscle atrophy. Biochim Biophys Acta 1800:235-244. https://doi.org/10.1016/j. bbagen. 2009. 05. 007

Holtze S, Eldarov CM, Vays VB, Vangeli IM, Vysokikh MY, Bakeeva LE, Skulachev VP, Hildebrandt TB (2016) Study of Age-Dependent Structural and Functional Changes of Mitochondria in Skeletal Muscles and Heart of Naked Mole Rats (Heterocephalus glaber). Biochemistry 81: 1703-1712. https://doi.org/10.1134/S000629791612004

Skulachev VP, Holtze S, Vyssokikh MY, Bakeeva LE, Skulachev MV, Markov AV, Hildebrandt TB, Sadovnichii VA (2017) Neoteny, prolongation of youth: from naked mole rats to "naked apes" (humans). Physiol Rev 97:699–720. https://doi.org/10.1152/physrev.00040.2015