Кожа и митохондрии

Строение кожи

Кожа состоит из 3 слоев: эпидермиса, дермы и подкожно-жировой клетчатки (рис.1). Толщина эпидермиса около 0,3 миллиметра, он подразделяется на роговой слой (stratum corneum),блестящий слой(stratum lucidum), который имеется только на самых толстых участках эпидермиса, зернистый слой (stratum granulosum), шиповатый слой (stratum spinosum) и базальный слой (stratum basale), — место нахождения меланоцитов. Меланоциты синтезируют меланин, который транспортируется к кератиноцитам и обеспечивает защиту от солнечного изулучения. Дерма – главная живая ткань кожи, состоит из фибробластов и межклеточного матрикса, в котором находятся потовые железы, волосяные фолликулы, капилляры, мышцы, нервные окончания. Структурная целостность дермы обеспечивается волокнами коллагена I типа. Регуляция его синтеза обеспечивается балансом стимулятора цитокина TGFb и ингибирующим действием фактора АР-1. Деградация коллагена осуществляется матриксными металлопротеиназами (ММР). Клетки эпидермиса (кроме рогового слоя) и фибробласты имеют митохондрии, выполняющие различные функции в жизнедеятельности кожи и ее старении (ref).

Кожа и митохондрии

Старение кожи

Как выглядит старение кожи никому не надо рассказывать, достаточно взять зеркало. Но кроме плохого вида в ней снижается способность заживлять раны, усиливается потеря влаги, возрастает восприимчивость к царапинам и инфекциям, растет раздражимость. Как и все органы нашего тела, кожа подвержена естественному старению, но помимо этого она еще постоянно испытывает стрессовые воздействия окружающей среды (как УФ радиация), что приводит к фотостарению Наибольшим изменениям в ходе старение подвержен дермальный слой, который истончается. За гомеостаз коллагена в коже отвечают фибробласты, поэтому нарушение их работы является существенной причиной старения.

Механизмы старения кожи сложные и не до конца изучены. Они включают измененный ROS сигналинг, повреждение генетического аппарата ядерной и митохондриальной ДНК, а также изменение структурных взаимодействий фибробластов с матриксом.

Митохондрии в клетках кожи

Митохондрии в кератиноцитах

По мере дифференцировке кератиноцитов при переходе от базального слоя к зернистому наблюдается фрагментация митохондриальной сети, размер митохондриальных кластеров уменьшаются, наблюдается фрагментация митохондрий, указывающая на снижение эффективности процессов окислительного фосфорилирования (ref). Это объясняется энергетическими особенностями клеток, в дифференцированных кератиноцитах энергетические затраты ниже.

Рис 1. Сравнение митохондриальной сети в stratum spinosum and stratum granulosum, что является отображением различных состояний в ходе дифференцировки кератиноцитов.

Митохондрии в фибробластах

Образуют митохондриальные кластерные сети, что свидетельствует о высокой биоэнергетической эффективности (рис.2). Нарушение динамики митохондриальной сети в фибробластах может быть свидетельством разнообразных нарушений, в том числе болезни Паркинсона и Альцгеймера (ref, ref)

Рис 2. Митохондрии в фибробластах (окрашивание MitoTracker red)

Для чего нужны митохондрии в коже?

Кожа, скажем прямо, не самый энергоемкий орган. Это не мозг и даже не печень. Тем не менее, роль митохондрий в коже важна для 

1) процессов клеточного сигналинга; 

2) поддержания баланса металлопротеиназ (ММРs) и их ингибиторов; 

3) заживления ран; 

4) для пигментации; 

5) для синтеза мелатонина 

6) для роста волос; 

7) в защите от микробов.

  • Процессы сигналинга, баланс ММР и их ингибиторов

Сигнальная функция ROS в коже необходима для иммунной защиты от инфекций (через активацию HIF1a, в регуляции дифференцировки стволовых клеток, в развитии волосяных фолликулов.

Фотостарение – это внешнее старение кожи, возникающее в ответ на воздействие солнечных лучей. УФ повреждению отводят наибольшую роль в фотостарении. Эпидермис с меланином поглощает большую часть UVB, а к повреждению фибробластов в дерме приводят более глубоко проникающие UVA (рис.3). Видимый и ИК свет также может приводить к повреждению кожи. Механизмы воздействия фотоповреждения включают повреждение мтДНК, измененный ROS сигналлинг, приводящий к активации транскрипционных факторов AP-1 и NFkB. Те, в свою очередь, снижают синтез проколлагена типа I и III. Помимо снижения синтеза коллагена усиливается его расщепление. Возникшее воспаление индуцирует активность матриксных металлопротеиназ (разрушение межклеточного матрикса способствует миграции иммунных клеток, которые считают, что их «позвали» бороться с воспалением).

Рис. 3 Проникающая способность УФ лучей, приводящая к фотоповреждению клеток кожи.

  • Пигментация

Меланин, — это пигмент, который образуется в ответ на окислительные реакции в меланоцитах, а затем в виде меланосом переносится к кератиноцитам. Прохибитин, — белок внутренней мембраны митохондрий, вовлечен в регуляцию активности тирозиназы, — фермента, лимитирующего скорость синтеза меланина (ref). Митохондрии находятся в тесном контакте с меланосомами, играя роль в их биогенезе (ref) при помощи белка Mfn2.

Рис. 4. Структурно-функциональная взаимосвязь митохондрий с меланосомами

(видео можно посмотреть по ссылке: https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0960982214000086-mmc2.mp4)

 У пациентов с митохондриальной дисфункцией чаще наблюдается витилиго (ref)

  • Синтез мелатонина

Мелатонин – это гормон, который образуется в эпифизе и регулирует циркадные ритмы. В его синтезе и метаболизме существенную роль играют митохондрии. В коже у людей обнаруживается мелатонин и его метаболиты. Синтез мелатонина – важный ответ кожи  на стресс. Мелатонин регулирует пигментные и барьерные фукнции кожи (ref). Он может действовать как антиоксидант в коже, подверженной воздействию УФ и радиации.  Этот эффект был показан для кератиноцитов, меланоцитов и фибробластов в культуре. Механизм защиты от UVB индуцированного оксидативного стресса – в активации фактора NRF2 в меланоцитах и кератиноцитах. Кератиноциты должны пролиферировать, чтобы обеспечить надежный эпидермальный барьер, а УФ-индуцированная дисфункция МХ может привести к их апоптозу, что нарушит формирование эпидермального барьера. Мелатонин и его метаболиты координирует взаимодействие митохондрий с клетками кожи.

Митохондрии участвуют в биосинтезе мелатонина и его метаболизме. Существует по меньшей мере 2 пути метаболизма меланина в митохондриях. Мелатонин может накапливаться в митохондриях.

Мелатонин и его метаболиты также влияют на биоэнергетические процессы в митохондриях, Мелатонин может быть донором электронов в ЭТЦ, увеличивая производство АТФ; ингибирует запущенную УФ индукцию апоптоза; является прямым скевенджером ROS; поддерживает мембранный потенциал митохондрий (Δψ); было высказано предположение, что мелатонин влияет на кальций-зависимую пору и стимулирует разобщающие белки (UCPs) (ref)

Рис. 5 Возможный механизм регуляции митохондриального и клеточного гомеостаза в коже мелатонином и его метаболитами А. Мелатонин (М) предотвращает митохондриальный путь апоптоза. В. Мелатонин (М) связывается и ингибирует образование ROS. С. Низкие концентрации мелатонина запускают экспрессию синтазы азота. D. Мелатонин может синтезироваться из серотонина и метаболизироваться в митохондрия

  • Рост волос и поседение

Потеря волос и поседение — один из самых неприятных признаков старения, который до сих пор не преодолим. Волосяные фоликулы раполагаются в дерме, а меланоциты и кератиноциты отвечают за цвет и поседение. Одной из теорий поседения волос является повреждение мтДНК. В седых волосах и непигментированных волосах обнаруживаются высокий уровень частой делеции 4977 bp (соответственно 40 и 20 %), а пигментированных – всего 5 %.

Поседение характеризуется утратой меланоцитов в пигментных единицах за счет их апоптоза.

ROS сигналинг необходим для морфогенеза волосяных фоликулов и роста волос. Мыши с нокдауном по митохондриальному транскрипционному фактору проявляли нарушения в функционировании волосяных фолликулов и продукции меланина (ref).

  • Защита от микробов

Было показано, что гликолиз и продукция АТФ существенно возрастают в ответ на инфекцию Staphylococcus aureus, это включает ROS-сигналинг, который через активацию фактора HIF-1a приводит к рекрутированию иммунных клеток (ref).

Что происходит с митохондриями в стареющей коже?

В исследовании in vivo (ref) было показано, что при старении происходит фрагментация митохондриальной сети в зернистом слое эпидермиса (stratum granulosum), что сопровождается снижением эффективности образования АТФ.

С возрастом накапливаются генетические повреждения митохондриальной ДНК. Накапливаются делеции mtDNA, впрочем, они выше также в участках кожи с большей солнечной экспозицией по сравнению с более защищенными. Однако солнечная экспозиция увеличивает уровень делеций лишь в эпидермисе, в дерме он остается неизменен. Частая делеция 4977 растет во всех слоях кожи, хотя некоторые исследователи и предполагают, что она коррелирует с солнечной экспозицией (ref).

Изменения фибробластов и частая делеция 4977bp

Учитывая  роль фибробластов в старении кожи, функция митохондрий в них также изучалась.

Известно, что в стареющей коже нарушается спрединг (распластывание) фибробластов и их контакт с фибриллами коллагена. Снижение спрединга фибробластов активирует активность ММР-1, что приводит к деградации коллагеновых фибрилл, влияет на TGFb сигналинг, что снижает продукцию коллагена и других белков межклеточного матрикса. При этом фибробласты сохраняют способность к функциональной активации, которая может быть восстановлена воздействием на их распластывание (улучшение структурной поддержки, например, за счет гиалуроновой кислоты (ref))

Было показано in vivo, что уровень частой делеции 4977 существенно возрастает как при фотостарении так и при естественном старении кожи. Сниженный клеточный спрединг был ассоциирован с повышением частоты делеции (в 3.2. раза). Авторы предполагают, что именно  сниженный спрединг фибробластов индуцирует увеличение частой делеции через ROS, однако механизмы до конца не ясны.

Помимо частой делеции, в старых фибробластах накапливаются точечные мутации мтДНК. Происходит снижение активности комплекса 2 дыхательной цепи (ref) Трансверсия Т414G имеет сильную корреляцию со старением фибробластов (ref).

Снижение количества мтДНК

Снижение количества мтДНК – один из признаков старения. Тут нельзя не привести данные статьи 2018 г (ref). Мышкам вводили генную конструкцию, которая приводила к снижению количества мтДНК (что, в принципе, происходит при старении). Это сопровождалось снижением активности ферментов OXPHOS, образованием морщин и потерей волос, дисфункции волосяных фолликулов, воспалительному ответу, гиперкератозу, повышению экспрессии матриксных металлопроитеиназ, снижению экспрессии ингибитора матриксных металлопроитеиназ TIMP1. При чем, если генный конструкт выключали, изменения были обратимыми.

Это исследование показало, что баланс между протеолетическими ферментами ММР и их ингибиторами TIMP1 нарушается не только при старении, но и при истощении мтДНК. Восстановление количества мтДНК восстанавливало экспрессию ММР, что указывает на ведущую роль МХ как регуляторов старения кожи и потери волос. Взаимосвязь ремоделирования матрикса, оксидативного стресса и дисфункции МХ была показана и ранее (ref

Рис. 6. Состояние кожи и волосяного покрова у mtDNA-depleter мышь после «включения» (истощение мтДНК) и «выключения» генного конструкта (восстановление мтДНК), приводящего к истощению мтДНК. 

Воздействие на работу митохондрий в коже, — системные подходы

  • Calorie restriction (CR) и кожа

CR повышает митохондриальную эффективность, а следовательно, снижает оксидативный стресс. Уже много было написано о влиянии на продолжительность жизни модельных животных и на процессы старения. Но в этих исследованиях не так часто фокусируются на коже, мы, конечно, отметили на фотках у известных обезьян на CR, что шерсть у них была погуще (ref). Прицельное исследование этого вопроса (ref) на мышках показало, что при CR происходит утолщение эпидермиса, усиливается кровоснабжение волосяных фолликулов, ремоделирование шерстки. Все это, конечно, не случайно, при дефиците пищи митохондриям необходимо производить АТФ, а не рассеивать энергию в виде тепла. Так что приходится утепляться такими методами.

  • Физические упражнения

Физическая активность – самый известный и эффективный стимулятор биогенеза митохондрий. Может ли физическая активность повлиять на мх кожи, либо же ее воздействие ограничивается митохондриями мышц? Есть ли какой-то сигналинг между мышцами и кожей? Считается, что вполне через АМРК и Il-15, и это было изучено на мышиной модели (ref). У людей, ведущих активный образ жизни, была выше толщина stratum corneum, выше содержание коллагена, содержание мтДНК и экспрессия PGC1a – мастер-регулятора мх биогенеза (рис 7, рис.8).  

Рис.7. (ACT активный образ жизни; SED сидячий образ жизни) Регулярная физическая активность связана с лучшим состоянием кожи в пожилом возрасте, более высокой толщиной эпидермального слоя (А, В, С), содержанием коллагена (D, E), более высоким содержанием мтДНК (F,G), более высокой экспрессии регуляторов митохондриального биогенеза (H, I, J).

Рис. 8 Графическая иллюстрация влияния упражнений на Il15 сигналинг в тканях кожи.

  • Гипоксия

Был разработан метод, позволяющий оценивать динамику митохондрий в коже in vivo (ref). Гипоксия стимлуирует кластеризацию митохондрий и их слияние (эти процессы нарушаются в стареющей коже) в кератиноцитах, что повышает их биоэнергетическую эффективность. При этом даже через 30 минут после окончания воздействия интенсивность окислительного фосфорилирования поддерживается на более высоком уровне (рис.9) 

Рис 9. Интенсивность митохондриального дыхания в культуре кератиноцитов под воздействием гипоксии. 

Литература

1.       https://www.mdpi.com/2079-7737/8/2/29/htm

2.       https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4517525/

3.       https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0047637401003281

4.       https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022202X16005753#fig1

5.       https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1087002415305098

6.       https://www.nature.com/articles/s41419-018-0765-9?_ga=2.243875781.1739316640.1532435236-1736063286.1532435236

7.       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/acel.12341

8.       https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5176339/

9.       https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0174469

10.   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1074552105000736

11.   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982214000086

12.   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0923181109000528

13.   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5693733/

14.   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022202X15400053

15.   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124717311774

16.   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5176339/

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *