Mutaatioille alttiit mitokondriot vanhenemisen taustalla

Solun voimalaitosten, eli mitokondrioiden toiminnan heikkeneminen on yksi tunnetuimmista vanhenemiseen liittyvistä ilmiöistä. Koska mitokondriot peritään äidiltä, vaikuttaa äidin elinikä isän elinikää enemmän lapsen pitkäikäisyyteen. Viime vuosina mitokondriot ovat kuitenkin yllättäneet tutkijoita ominaisuuksillaan ja niiden kokonaisvaltainen merkitys vanhenemiseen ja elinikään on vasta selviämässä.

*Mitokondriot ovat solujen voimalaitoksia. DNA:n on vaarallista hengailla niiden läheisyydessä. Kuva: Pixabay*

Mitokondriot kuvataan usein solujen voimalaitoksia, sillä ne tuottavat suurimman osan solun käyttämästä energiasta. Ne eroavat muista solun sisäisistä asukkaista erityisesti siinä, että niillä on omaa DNA:ta. Tämän erikoislaatuisen ”lisäperimän” eli mtDNA:n roolia vanhenemisessa on perusteltu monin tavoin. Ensimmäiset havainnot liittyivät juuri mitokondrioiden periytymistapaan – äidin eliniän huomattiin vaikuttavan lapsen elinikään isää enemmän. Seuraavaksi havaittiin, että mitokondriaalisen DNA:n tietyt ryhmät ovat yleisiä pitkäikäisillä ihmisillä. Miksi mitokondrioilla sitten on oma perimä ja miten se mahdollisesti vaikuttaa elinikään?

Mitokondrioiden DNA on altis mutaatioille

Mitä vanhemmaksi elämme, sitä enemmän soluissamme, mukaan lukien mitokondrioissa, tapahtuu sattumanvaraisia mutaatioita. Korkealla iällä mutaatioita on kertynyt niin paljon, että osa niistä voi aiheuttaa elimistön toiminnalle ongelmia.

Mitokondrioiden syntytarina selittää sen, miksi niiden DNA:n on havaittu olevan alttiimpaa mutaatioille kuin tuman DNA:n. Koska mitokondrioiden ajatellaan kehittyneen bakteereita, niiden DNA:n korjauskoneisto on huomattavasti alkeellisempi kuin solun tumassa oleva koneisto. Voit verrata tätä tietokoneen ohjelmistoihin – Photoshop nyt vain taipuu aavistuksen parempaan kuvankäsittelyyn kuin Paint. Heikon korjauskoneiston lisäksi mitokondrioiden DNA on varsin suojaton verrattuna tuman sisään huolellisesti pakattuihin kromosomeihin. Lisäksi se altistuu jatkuvasti oksidatiiviselle stressille, jota syntyy mitokondrioissa tapahtuvan energiantuotannon yhteydessä. DNA:n on siten vaarallista hengailla mitokondrioissa. Mitokondrioihin kertyvät mutaatiot voivat edesauttaa esimerkiksi syövän kehittymistä.

Luultavimmin juuri näiden ongelmien vuoksi mitokondriaalinen DNA on aikojen saatossa siirtynyt pikkuhiljaa tuman suojiin. Tumassa osana muuta DNA:ta mitokondriaalinen DNA on sekä paremmassa suojassa, että tuman tehokkaamman DNA:n korjauskoneiston alla. On viitteitä siitä, että DNA:ta siirtyy yhä soluelimistä tumaan, joten on mahdollista, että jonain päivänä mitokondrioiden DNA:kin on saatu säilöttyä kokonaisuudessaan parempaan turvaan.

Mitokondriot yllättävät yhä tutkijoita ominaisuuksillaan

Mitokondrioihin kiistatta kertyy mutaatioita vanhenemisen myötä. Vielä ole kuitenkaan pystytty osoittamaan, että nämä mutaatiot vaikuttaisivat suoraan elinikään. Tästä huolimatta mitokondrioiden toiminta on olennaista terveydelle. On myös havaittu, että verestä mitatun mitokondriaalisen DNA:n määrän väheneminen kertoo kehon hauraudesta ja kohonneesta kuolemanriskistä.

Vaikka ajatus mitokondrioihin liittyvästä vanhenemisen mekanismista on ollut vallalla jo vuosikymmeniä, ei tutkimus näiden voimalaitosten osalta ole suinkaan olet tullut valmiiksi. Viime vuonna tutkimusmaailmaa kohahdutti uutinen, jossa verenkierrosta oli löydetty solujen ulkopuolisia, mutta toimivia mitokondrioita. Näiden soluista karanneiden mitokondrioiden arvellaan toimivan esimerkiksi viestin viejinä kudosten välillä. Niiden merkitystä kehon toiminnalle tutkitaan parhaillaan.

Mitokondrioiden toiminnan heikkeneminen luustolihaksissa voi johtua sekä ikääntymisprosessista että liikunnan vähenemisestä. Monesti vanhenemisen ja liikkumattomuuden vaikutusta onkin hankala erottaa toisistaan. Liikunnan tiedetään kuitenkin parantavan mitokondrioiden toimintaa, vaikkei se kokonaan poistakaan vanhenemisen tuomia vaikutuksia. Liikunta paitsi tehostaa mitokondrioiden toimintaa myös tekee näistä voimalaitoksista turvallisempia, suojaten mitokondrioiden DNA:ta vaurioilta.

Lähteet:

Parise G, Brose AN, Tarnopolsky MA. Resistance exercise training decreases oxidative damage to DNA and increases cytochrome oxidase activity in older adults. Exp Gerontol. 2005 March 01;40(3):173-80.
Al Amir Dache Z, Otandault A, Tanos R, Pastor B, Meddeb R, Sanchez C, et al. Blood contains circulating cell-free respiratory competent mitochondria. FASEB J. 2020 March 01;34(3):3616-30.
Smith AL, Whitehall JC, Bradshaw C, Gay D, Robertson F, Blain AP, et al. Age-associated mitochondrial DNA mutations cause metabolic remodelling that contributes to accelerated intestinal tumorigenesis. Nat Cancer. 2020 October 01;1(10):976-89.
Henze K, Martin W. How do mitochondrial genes get into the nucleus? Trends Genet. 2001 July 01;17(7):383-7.
Wolf AM. MtDNA mutations and aging-not a closed case after all? Signal Transduct Target Ther. 2021 February 10;6(1):56.
Harper C, Gopalan V, Goh J. Exercise rescues mitochondrial coupling in aged skeletal muscle: a comparison of different modalities in preventing sarcopenia. J Transl Med. 2021 February 16;19(1):71-021.
Ashar FN, Moes A, Moore AZ, Grove ML, Chaves PHM, Coresh J, et al. Association of mitochondrial DNA levels with frailty and all-cause mortality. J Mol Med (Berl). 2015 February 01;93(2):177-86.
Samuels DC. Mitochondrial DNA repeats constrain the life span of mammals. Trends Genet. 2004 May 01;20(5):226-9.
Vermulst M, Bielas JH, Kujoth GC, Ladiges WC, Rabinovitch PS, Prolla TA, et al. Mitochondrial point mutations do not limit the natural lifespan of mice. Nat Genet. 2007 April 01;39(4):540-3.
Santoro A, Salvioli S, Raule N, Capri M, Sevini F, Valensin S, et al. Mitochondrial DNA involvement in human longevity. Biochim Biophys Acta. 2006 October 01;1757(9-10):1388-99.

Kehon eri DNA-yhteisöt ja elinikä

On yleisesti tunnettua, että perimä vaikuttaa elinikään. Perimällä viitataan yleensä solumme tumassa olevaan DNA:han, mutta kehossamme on todellisuudessa kolme hyvin erilaista DNA-yhteisöä. Nämä eri DNA-yhteisöt toimivat vuorovaikutuksessa keskenään. Vai yhden DNA-sisältöön voit omalla toiminnallasi vaikuttaa.

Perimän eliksiirit tulevat kolmessa pullossa. Kuva: Pixabay

Perimämme on kirjattu DNA-molekyyleihin. Suurin osa solujemme DNA:sta on tuman kromosomeissa olevaa DNA:ta, josta puolet perimme isältä ja puolet äidiltä. Tämän lisäksi soluissa on mitokondriaalista DNA:ta, jonka perimme yksinomaan äidiltä. Kolmannen DNA-yhteisön muodostavat suolistossamme elävät mikrobit. Nämä kolme DNA-yhteisöä muodostavat koko kehossa olevan perimän, joka puolestaan vaikuttaa sairastumisalttiuteen ja elinikään.

Kromosomit kertovat sukusi tarinan

Identtisiä kaksosia lukuun ottamatta meistä jokaisella on ainutkertainen perimä. Perimämme on syntynyt munasolun ja siittiön yhdistyessä, jolloin vanhempiemme geenit yhdistyivät muodostaen uuden yksilön. Koska ihmisellä on 46 kromosomiparia, voi näistä syntyä lukemattomia erilaisia geneettisiä yhdistelmiä uuden ihmisen aluksi.

Saamamme perimä määrää suoraan tiettyjä ominaisuuksiamme. Esimerkiksi silmien väri määräytyy geenien perusteella ilman ympäristön vaikutusta. Sen lisäksi perimä asettaa tietyt rajat useille eri ominaisuuksille, jotka eivät ole pelkästään geeneistä riippuvaisia. Sinulla voi olla esimerkiksi perinnöllinen alttius sydän- ja verisuonitaudeille, mutta jos syöt terveellisesti, liikut riittävästi ja pysyttelet normaalipainossa, ei tämä tauti välttämättä koskaan puhkea. Eliniästä geenit määräävät arviolta noin neljänneksen.

Oman perimän tunteminen voi edesauttaa myös pitkän iän tavoittelua. Mikäli suvussa kulkee esimerkiksi elintapoihin vahvasti liittyviä sairauksia, voi niitä pyrkiä välttämään terveellisillä elintavoilla. Myös suvussa mahdollisesti kulkevat syöpäriskit on hyvä tiedostaa, jolloin voi tehostaa tarkkailua esimerkiksi iho- tai rintasyövän varalta. Tulevaisuudessa geenitietoja tullaan todennäköisesti hyödyntämään yhä enemmän erityisesti sairausriskien arvioimisessa, jolloin saamme entistä tarkempaa tietoa perimästämme.

Mitokondriaalinen perimä kulkee äidiltä lapselle

Mitokondriot ovat monin tavoin poikkeuksellisia soluelimiä. Ne ovat välttämättömiä solujen toiminnalle tuottaen suurimman osan solun tarvitsemasta energiasta. Lisäksi ne ovat soluelimistä ainoita, jotka sisältävät omaa DNA:ta. Koska mitokondriot peritään äidiltä, äidin elinikä vaikuttaa isän elinikää enemmän lapsen pitkäikäisyyteen. Vaikka mitokondrioissa on tieto osalle niiden rakennusosista, suurin osa niiden perimästä on peräisin tumasta. Näin ollen myös isän perimällä on merkitystä mitokondrioiden toiminnalle.

Mitokondrion oman perimän ajatellaan olevan seurausta sen syntytavasta – uskotaan, että elämän kehittyessä aitotumallinen solu on nielaissut sisäänsä bakteerin, joka sittemmin kehittyi solun sisällä symbioosissa eläväksi mitokondrioksi. Tässä yhteistyössä mitokondrio tuottaa solulle energiaa ja solu tarjoaa mitokondriolle sopivan elinympäristön. Useat asiat tukevat tätä teoriaa: mitokondriot ovat samankokoisia kuin bakteerit, niillä on oma perimä, ja ne kykenevät lisääntymään itsenäisesti jakautumalla. Tällainen bakteerin kumppanikseen ottanut solu on ollut toiminnaltaan ylivertainen muihin soluihin nähden, ja luonnonvalinta on suosinut niiden lisääntymistä. Nykyisin kaikissa soluissamme punasoluja lukuun ottamatta on mitokondrioita.

Mitokondrioiden syntytarina selittää myös sen, miksi niiden on havaittu olevan tuman DNA:ta alttiimpia mutaatioille. Mitokondrioiden DNA:n korjauskoneisto on nimittäin huomattavasti heikompi kuin aitotumallisen solun tumassa oleva koneisto. Heikon korjauskoneiston lisäksi mitokondriot kuormittuvat oksidatiivisesta stressistä, jota syntyy energiantuotannon yhteydessä. Eläinmalleilla on havaittu, että puutokset mitokondrioiden DNA:n korjauskoneistossa lyhentävät elinikää.

Mitokondrioiden perimä voidaan jakaa sen geneettisen materiaalin mukaan eri haplotyyppeihin. Eri haplotyyppien on havaittu olevan yhteydessä useisiin sairauksiin. Kuten blogin ensimmäisessä tekstissä on kerrottu, tietty haplotyyppi voi myös edesauttaa pitkäikäisyyttä. Erikoista kyllä, eri haplotyyppien rikastuminen ikäihmisiin vaikuttaa olevan riippuvaista ihmisryhmästä – mikä lisää elinikää Suomessa, ei välttämättä tee sitä muissa maissa. Tämä ilmiö johtunee erilaisen elinympäristön lisäksi siitä, että mitokondriaalinen DNA toimii kehossa aina yhdessä elimistön muun DNA:n kanssa.

Suolistomikrobit tuovat oman perimänsä osaksi sinua

Suolistomikrobeja ovat esimerkiksi bakteerit, hiivat ja virukset, joita on kehossamme jopa noin 1,5 kiloa. Suolistomikrobien muodostamaa kokonaisuutta, mikrobiomia, voidaan sanoa myös ihmisen kolmanneksi perimäksi – jokainen mikrobi kun kantaa sisällään omaa perimäänsä. Mikrobien suuren määrän vuoksi niiden yhteenlaskettujen geenien määrä on itse asiassa suurempi kuin ihmisen perimä.

Siinä missä vanhemmilta saatu tuman ja mitokondrioiden perimä on ennalta määrätty, voi suolistomikrobien perimään osaltaan itse vaikuttaa. Uusimmat tutkimukset antavat nimittäin viitteitä siitä, että ruokavalio ja liikunta muokkaavat suolistomikrobiston koostumusta ja siten myös sen perimää. Ruokavalion osalta erityisesti ravintokuidun määrä vaikuttaa suolen mikrobisisältöön. Uusia mikrobistoa muokkaavia ravintoaineita tutkitaan kiivaasti ja tulokset vaikuttavat lupaavilta.

Kehon DNA-yhteisöt yhdessä vaikuttavat elinikään

Kehon eri DNA yhteisöt keskustelevat keskenään monin eri keinoin. Mitokondriot tarvitsevat toimiakseen paljon tuman geenien koodaamia rakennusaineita ja ne myös keskustelevat tuman kanssa proteiinien ja RNA:n avulla. Viestit eivät kuitenkaan kulje ainoastaan tumasta mitokondrioihin vaan myös päinvastoin. Solun tasapainon kannalta nämä viestit ovat olennaisia, ja muutokset viestinnässä voivat johtaa häiriöihin solun toiminnassa, vaikuttaen mahdollisesti myös solun ikääntymiseen.

Samoin viestintä mikrobiomin ja perimän välillä on olennaista kehon toiminnan kannalta. Arvellaan, että mikrobiomi voi myös osaltaan auttaa kehoa sopeutumaan vallitsevaan ympäristöön. Toistaiseksi tiedetään, että immuunijärjestelmä voi kuljettaa viestejä mikrobien ja kudosten välillä, mutta kaikkia kommunikointireittejä ei vielä tunneta. Yksi suuri tiedeuutinen viimevuosina on ollut suolistomikrobien löytyminen aivoista, joka avasi kokonaan uuden näkökulman bakteerien ja kudosten vuorovaikutukselle.

Toistaiseksi tutkimukset ovat tyypillisesti keskittyneet yhteen kehon DNA-yhteisöön kerrallaan, jolloin kehon toiminnasta tai ikääntymisestä on haastava muodostaa kokonaiskuvaa. Tiedetään kuitenkin, että kehon kaikki DNA-yhteisöt muuttuvat vanhenemisen seurauksena. Erityisesti mutaatioille altis mitokondriaalinen DNA ja ympäristöön reagoiva suolistomikrobisto muuttuvat vanhetessa, mutta myös tuman perimään kertyy sattumanvaraisia mutaatioita, jotka muuttavat perimää ja mahdollisesti myös sen toimintaa.

Tulevaisuudessa toivottavasti ymmärrämme näiden kolmen DNA-yhteisön vuorovaikutusta ja toimintaa entistä paremmin.

Lähteet:

Garagnani, P., Pirazzini, C., Giuliani, C., Candela, M., Brigidi, P., Sevini, F., et al. (2014). The three genetics (nuclear DNA, mitochondrial DNA, and gut microbiome) of longevity in humans considered as metaorganisms. BioMed Research International, 2014, 560340.
Bar-Yaacov, D., Blumberg, A., & Mishmar, D. (2012). Mitochondrial-nuclear co-evolution and its effects on OXPHOS activity and regulation. Biochimica Et Biophysica Acta, 1819(9-10), 1107-1111.
Forsythe, P., Kunze, W. A., & Bienenstock, J. (2012). On communication between gut microbes and the brain. Current Opinion in Gastroenterology, 28(6), 557-562.
Bar-Yaacov, D., Blumberg, A., & Mishmar, D. (2012). Mitochondrial-nuclear co-evolution and its effects on OXPHOS activity and regulation. Biochimica Et Biophysica Acta, 1819(9-10), 1107-1111.
Franceschi, C., Valensin, S., Bonafe, M., Paolisso, G., Yashin, A. I., Monti, D., et al. (2000). The network and the remodeling theories of aging: Historical background and new perspectives. Experimental Gerontology, 35(6-7), 879-896.
Morgan, X. C., Segata, N., & Huttenhower, C. (2013). Biodiversity and functional genomics in the human microbiome. Trends in Genetics : TIG, 29(1), 51-58.
Munukka, E., Ahtiainen, J. P., Puigbo, P., Jalkanen, S., Pahkala, K., Keskitalo, A., et al. (2018). Six-week endurance exercise alters gut metagenome that is not reflected in systemic metabolism in over-weight women. Frontiers in Microbiology, 9, 2323.
Nagpal, R., Mainali, R., Ahmadi, S., Wang, S., Singh, R., Kavanagh, K., et al. (2018). Gut microbiome and aging: Physiological and mechanistic insights. Nutrition and Healthy Aging, 4(4), 267-285.
Santoro, A., Salvioli, S., Raule, N., Capri, M., Sevini, F., Valensin, S., et al. (2006). Mitochondrial DNA involvement in human longevity. Biochimica Et Biophysica Acta, 1757(9-10), 1388-1399.

Suositeltu

Äidin pitkä elinikä ennustaa lisävuosia

Äidillä vaikuttaisi olevan isää vahvempi vaikutus jälkeläisen elinikään – tämä huomio johtuu todennäköisesti siitä, että saamme mitokondriot äidiltä.

*Perit äidiltäsi muutakin kuin sombreron*. Kuva: Pixabay.

Näin äitienpäivänä on hyvä muistutella mieliin, että äidiltä saamamme perimä vaikuttaa osaltaan jopa ikääntymiseemme. Tutkimuksissa on nimittäin havaittu, että juuri äidin elinikä on jälkeläisten elinikää ennustava tekijä. Tämä puolestaan herätti kiinnostuksen tutkia sitä, miten äidiltä saatu perimä poikkeaa isältä saadusta perimästä, ja jäljet johtavat mitokondrioihin.

Mitokondriot ovat solun pieniä voimalaitoksia, ne muuttavat syömämme ravinnon energiaksi soluille sopivaan muotoon. Ne ovat myös ainoa paikka tuman ulkopuolella, joka sisältää geneettistä materiaalia. Munasolun hedelmöittyessä siittiösolu kuljettaa tuman perintöaineksen munasoluun, mutta siittiösolun sisältämät mitokondriot jäävät solun ulkopuolelle. Tämän vuoksi mitokondriot ovat peräisin äidin munasolusta, eivät isältä.

Mitokondrioiden toiminnan heikentyminen on yksi tutkituimmista ikääntymisen mekanismeista.

Mitokondrioiden toiminnan heikentymistä pidetään ikääntymisen yleisenä merkkinä. Ikääntyessä mitokonrdiot kohtaavat oksidatiivista stressiä ja niihin kertyy mutaatioita, jotka heikentävät niiden toimintaa. Ajatellaan, että lopulta mitokondrioiden toiminta on heikentynyt niin paljon, etteivät ne enää pysty tuottamaan energiaa edes solun perustarpeisiin, jolloin ikääntymisen ja/tai sairauksien merkit alkavat olla jo selviä. Tämä on myös yksi tutkituimmista ikääntymisen mekanismeista.

Oksidatiivisellä stressillä tarkoitetaan epätasapainoa hapetus-pelkistysreaktiossa, mikä lopulta johtaa happiradikaalien määrän nousuun. Happiradikaalit ovat – no – nimensä mukaisesti radikaaleja, tarkoittaen että ne reagoivat herkästi eri molekyylien kanssa vaurioittaen kohtaamansa molekyylin rakennetta ja sitä kautta toimintaa. Luultavasti pitkän eliniän mitokondriot pystyvät paremmin vastustamaan iän mukana tulevan oksidatiivisen stressin kuormaa. Jos taas mitokondriot toimivat heikommin tai vastustavat happiradikaaleja huonommin, on odotettavissa lyhyempi elinikä.

Mitokondrioiden perimä vaikuttaa pitkäikäisyyteen.

Tietynlaisen mitokondrioiden DNAn (mtDNA) on havaittu liittyvän pitkäikäisyyteen – tulosta tukee myös suomalaisella väestöllä tehty tutkimus. Nimittäin tukittaessa korkeaan ikään (90+) varttuneita ihmisiä, on havaittu, että heitä yhdistää samankaltainen mitokondrioiden DNA. Tarkemmin sanoen, mitokondrion sisältämät geenit voidaan jaotella erilaisiin ryhmiin (haploryhmät), ja tietyt ryhmät olivat selvästi enemmän edustettuina hyvin vanhoiksi eläneillä ihmisillä. Ainakaan vielä ei ole tarjolla geenitestiä, jolla ikääntymiseen liitetyt haploryhmät voisi omasta perimästään määrittää. Niinpä paras tapa arvioida omien mitokondrioiden DNAn vaikutusta on tarkastella oman äitilinjansa (äiti, äidinäiti, äidinäidinäiti) elinikää.

Jotta mitokondrioiden toimintaa/toimimattomuutta ei sysätä kokonaan äitien harteille, on syytä muistaa, että mitokondriot sisältävät vain osan toimintansa vaatimista geeneistä, ja tarvitsevat siksi myös tuman DNA:ta. Lisäksi mitokondriot ovat vain yksi pala suuressa ikääntymisen palapelissä – ikääntyminen on monimutkainen ilmiö, johon vaikuttavat geeniperimän lisäksi ympäristö ja elintavat.

Lähteet:

De Benedictis G, Rose G, Carrieri G, De Luca M, Falcone E, Passarino G, Bonafe M, Monti D, Baggio G, Bertolini S, Mari D, Mattace R, Franceschi C: Mitochondrial DNA inherited variants are associated with successful aging and longevity in humans. FASEB J 1999, 13(12):1532-1536.
Linnane AW, Marzuki S, Ozawa T, Tanaka M: Mitochondrial DNA mutations as an important contributor to ageing and degenerative diseases. Lancet 1989, 1(8639):642-645.
Brand FN, Kiely DK, Kannel WB, Myers RH: Family patterns of coronary heart disease mortality: the Framingham Longevity Study. J Clin Epidemiol 1992, 45(2):169-174.
Korpelainen H: Genetic maternal effects on human life span through the inheritance of mitochondrial DNA. Hum Hered 1999, 49(4):183-185.
Santoro A, Salvioli S, Raule N, Capri M, Sevini F, Valensin S, Monti D, Bellizzi D, Passarino G, Rose G, De Benedictis G, Franceschi C: Mitochondrial DNA involvement in human longevity. Biochim Biophys Acta 2006, 1757(9-10):1388-1399.
Niemi AK, Hervonen A, Hurme M, Karhunen PJ, Jylha M, Majamaa K: Mitochondrial DNA polymorphisms associated with longevity in a Finnish population. Hum Genet 2003, 112(1):29-33.